Ibridazione sp3, sp2, sp, sp3d, s2p3d

L’ibridazione è un processo matematico attraverso il quale  due o più orbitali atomici si combinano allo scopo di ottenere nuovi orbitali, anch’essi atomici
La sovrapposizione di orbitali s e p da cui si ottengono legami σ e legame π descrive alcuni aspetti del legame covalente e molecole costituite da due o tre atomi.

Pertanto le molecole costituite da un numero di atomi maggiore richiedono un altro modello per descrivere la formazione del legame. Tenendo infatti presente che gli orbitali p sono orientati con angoli di 90° e che gli orbitali s sono sferici e quindi adirezionali se tutte le molecole fossero costituite dalla sovrapposizione di questi orbitali si avrebbero solo molecole con angoli di 90°.

Considerando inoltre una molecola semplice come il metano che sappiamo avere una geometria tetraedrica e con tutti i legami C-H equivalenti si comprende che il modello che considera la sovrapposizione degli orbitali s e p risulta del tutto inefficace in quanto, avendo il carbonio due soli elettroni spaiati nell’orbitale p formerebbe la molecola CH₂  in cui il legame H-C-H sarebbe di 90°. Anche se si considerasse che i due elettroni presenti nell’orbitale 2s del carbonio potessero formare legami si otterrebbe una molecola in cui i legami C-H non sarebbero equivalenti.

Partendo dalla descrizione della molecola di metano si giunse a postulare l’esistenza di orbitali ibridi che possono essere definiti come un insieme di orbitali equivalenti con proprietà uguali e formati dalla combinazione di due o più orbitali aventi diversa energia.

Ibridazione sp³

In figura viene rappresentato la configurazione elettronica del carbonio prima della conversione degli orbitali s e p e successivamente quando si sono formati i quattro orbitali ibridi sp³ i quali hanno la stessa energia.

Il  termine sp³ si indica che un elettrone dell’orbitale s e tre elettroni dell’orbitale p si sono combinati dando luogo all’ibridazione. Quando si formano i quattro orbitali ibridi sp³ essi si direzionano ai vertici di un tetraedro equilatero. La molecola del metano CH₄ si forma per sovrapposizione di ciascun orbitale ibrido un l’orbitale dell’idrogeno e molecole come NH₃, H₂O presentano lo stesso tipo di ibridazione e geometria tetraedrica.

Ibridazione sp²

La formaldeide HCHO presenta un carbonio legato con legame semplice a ciascuno dei due idrogeni e con doppio legame all’ossigeno quindi forma tre legami σ e un legame π. La struttura è trigonale planare e gli orbitali ibridi sono detti sp²

Tre elettroni sono ciascuno in un orbitale ibrido sp² e un elettrone si trova in un orbitale p che forma un doppio legame con l’ossigeno. L’etene e il benzene sono molecole planari : i tre orbitali ibridi sp² si dispongono planarmente con angoli di 120° e, affinché l’elettrone contenuto nell’orbitale  p possa sovrapporsi all’elettrone dell’altro atomo di carbonio per formare un legame π esso deve essere perpendicolare al piano della molecola

Ibridazione sp

Il biossido di carbonio O=C=O ha 2 legami σ e due legami π : due elettroni del carbonio formano 2 orbitali ibridi sp che si dispongono linearmente con angoli di 180° formando legami σ rimangono 2 elettroni negli orbitali p responsabili del legame π.

Ibridazione sp³d

Con tale notazione si indicano 5 orbitali ibridi in cui vi e almeno un elettrone in ciascuno di essi; poiché il carbonio ha solo 4 elettroni spaiati esso non ha l’ ibridazione tipica di elementi che hanno orbitali d disponibili ovvero di elementi che appartengano almeno al  terzo periodo. Ad esempio il fosforo che ha configurazione elettronica 1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p³ può promuovere un elettrone nell’orbitale d ed avere cinque elettroni spaiati che danno luogo a questo tipo di ibridazione.

Gli elettroni presenti negli orbitali ibridi sp³d formano legami σ dando una geometria bipiramidale trigonale. Si noti che non necessariamente avviene la promozione ni un elettrone nell’orbitale d e infatti il fosforo oltre al composto PCl₅ in cui è presente ibridazione sp³d, forma composti come PCl₃ in cui è ibridato sp³

Ibridazione s²p³d

Come nel caso dell’ibridazione sp³d l’elemento deve appartenere almeno al  terzo periodo ma deve, in questo caso,  presentare sei elettroni di valenza come accade, ad esempio in alcuni composti dello zolfo. Questo elemento ha configurazione 1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁴ e gli elettroni presenti nell’orbitale 3s e 3p possono dar luogo a sei orbitali ibridi s²p³d che danno luogo a sei legami covalenti con struttura ottaedrica come nel caso dell’esafluoruro di zolfo SF₆