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3° BGU · Química
El átomo de carbono y los hidrocarburos cíclicos · Estructura del átomo de carbono y enlaces

Hibridación y enlaces del carbono

El gas doméstico de tu cocina, la funda plástica del mercado y el aceite de palma tienen algo en común: todos están hechos de carbono. Y, sin embargo, el carbono solo tiene dos electrones desapareados. ¿Cómo puede formar cuatro enlaces en el metano y, además, dobles y triples enlaces en otras moléculas? Al final de esta página lo resolverás.

Configuración electrónica del carbono

El carbono tiene número atómico $Z = 6$: seis protones y, en el átomo neutro, seis electrones. Se acomodan en orbitales de menor a mayor energía:

$$\text{C}: 1s^2\,2s^2\,2p^2$$

El último nivel (el nivel 2) tiene $2 + 2 = 4$ electrones: son los electrones de valencia. Con 4 electrones de valencia, el carbono necesita compartir otros 4 para completar ocho. Por eso forma cuatro enlaces covalentes.

Diagrama de orbitales del carbono en estado fundamental: 1s y 2s llenos, y dos electrones desapareados en los orbitales 2p 1s 2s 2p 2p 2p ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ Los orbitales 2p tienen más energía que el 2s

Fíjate: en el estado fundamental solo hay dos electrones desapareados (los dos del subnivel $2p$). Según este dibujo, el carbono formaría solo dos enlaces. Pero la realidad es otra.

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El carbono tiene número atómico $Z = 6$. Escribe su configuración electrónica en estado fundamental e indica cuántos electrones tiene en su nivel de valencia (el último…

El carbono tiene número atómico $Z = 6$. Escribe su configuración electrónica en estado fundamental e indica cuántos electrones tiene en su nivel de valencia (el último nivel).

Resolver

Promoción electrónica e hibridación sp³

Los experimentos muestran que en el metano, $\text{CH}_4$, los cuatro enlaces C–H son idénticos. Para explicarlo se usa un modelo en dos pasos:

Molécula de metano: carbono central con cuatro hidrógenos en los vértices de un tetraedro, ángulo de 109,5 grados C H H H H 109,5°
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Un estudiante de 3.° de BGU observa la molécula de metano, $\text{CH}4$. Indica la hibridación del átomo de carbono, el número de enlaces sigma ($\sigma$) que forma y el…

Un estudiante de 3.° de BGU observa la molécula de metano, $\text{CH}_4$. Indica la hibridación del átomo de carbono, el número de enlaces sigma ($\sigma$) que forma y el valor aproximado del ángulo entre los enlaces C–H.

Resolver
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Camila debe explicar a su curso por qué el carbono forma cuatro enlaces y no dos, si en su estado fundamental solo tiene dos electrones desapareados. Redacta la…

Camila debe explicar a su curso por qué el carbono forma cuatro enlaces y no dos, si en su estado fundamental solo tiene dos electrones desapareados. Redacta la explicación usando la promoción de un electrón del orbital $2s$ al $2p$ y la formación de orbitales híbridos $sp^3$.

Resolver

Enlaces sigma y pi

Los enlaces covalentes se forman cuando se solapan orbitales. Según cómo se solapen, hay dos tipos:

Comparación del solapamiento frontal de un enlace sigma y el solapamiento lateral de un enlace pi Sigma σ: frontal Pi π: lateral sobre el eje de enlace arriba y abajo del eje

Regla práctica para contar enlaces:

Enlace entre carbonos Enlaces $\sigma$ Enlaces $\pi$
Simple (C–C) 1 0
Doble (C=C) 1 1
Triple (C≡C) 1 2

Cada enlace C–H es un $\sigma$.

Hibridación sp² y sp

No siempre se mezclan los cuatro orbitales. Según con cuántos átomos se una el carbono, se mezcla $2s$ con 3, 2 o 1 orbitales $p$:

  • $sp^2$: el $2s$ se mezcla con dos $p$. Quedan 3 orbitales híbridos en un plano a $120^\circ$ (geometría trigonal plana) y un orbital $p$ sin hibridar, perpendicular al plano. Ese $p$ forma el enlace $\pi$. Ejemplo: el eteno.

  • $sp$: el $2s$ se mezcla con un $p$. Quedan 2 orbitales híbridos a $180^\circ$ (geometría lineal) y dos orbitales $p$ sin hibridar, perpendiculares entre sí. Forman los dos enlaces $\pi$. Ejemplo: el etino (acetileno).

Hibridación Orbitales híbridos $p$ sin hibridar Geometría Ángulo Enlaces del carbono
$sp^3$ 4 0 tetraédrica $109{,}5^\circ$ 4 simples
$sp^2$ 3 1 trigonal plana $120^\circ$ 1 doble + 2 simples
$sp$ 2 2 lineal $180^\circ$ 1 triple + 1 simple, o 2 dobles
Geometrías del carbono: tetraédrica sp3, trigonal plana sp2 y lineal sp sp³: 109,5° sp²: 120° sp: 180°
Practica★☆☆Sin empezar
Relaciona cada tipo de hibridación del carbono con el enlace que lo caracteriza y con su geometría: $sp^3$, $sp^2$ y $sp$. Para cada una, indica si corresponde a enlaces…

Relaciona cada tipo de hibridación del carbono con el enlace que lo caracteriza y con su geometría: $sp^3$, $sp^2$ y $sp$. Para cada una, indica si corresponde a enlaces simples, dobles o triples, y si la geometría es lineal, trigonal plana o tetraédrica.

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Santiago analiza la molécula de propeno, $\text{CH}2\text{=CH–CH}3$. Identifica la hibridación de cada uno de los tres átomos de carbono, indica la geometría alrededor…

Santiago analiza la molécula de propeno, $\text{CH}_2\text{=CH–CH}_3$. Identifica la hibridación de cada uno de los tres átomos de carbono, indica la geometría alrededor de cada uno y señala cuántos enlaces $\sigma$ y cuántos enlaces $\pi$ tiene la molécula en total.

Resolver

Etano, eteno y etino

Comparemos las tres moléculas de dos carbonos.

Molécula Fórmula Hibridación de C Enlace C–C $\sigma$ totales $\pi$ totales
Etano $\text{CH}_3\text{–CH}_3$ $sp^3$ simple 7 0
Eteno $\text{CH}_2\text{=CH}_2$ $sp^2$ doble 5 1
Etino $\text{CH}\equiv\text{CH}$ $sp$ triple 3 2

Longitud del enlace C–C

Cuantos más enlaces comparten dos carbonos, más los acercan. Por eso:

$$\text{C–C} (154\ \text{pm}) > \text{C=C} (134\ \text{pm}) > \text{C≡C} (120\ \text{pm})$$

El enlace triple es el más corto y el más fuerte; el simple, el más largo y el más débil. Además, un carbono $sp$ tiene más carácter $s$ (50 %) que uno $sp^3$ (25 %), y los orbitales $s$ están más cerca del núcleo: otra razón para un enlace más corto.

Practica★★☆Sin empezar
Observa las moléculas de etano ($\text{CH}3\text{–CH}3$), eteno ($\text{CH}2\text{=CH}2$) y etino ($\text{CH}\equiv\text{CH}$). a) Indica la hibridación de los carbonos…

Observa las moléculas de etano ($\text{CH}_3\text{–CH}_3$), eteno ($\text{CH}_2\text{=CH}_2$) y etino ($\text{CH}\equiv\text{CH}$).

  1. a) Indica la hibridación de los carbonos en cada una.
  2. b) Cuenta cuántos enlaces sigma ($\sigma$) y cuántos pi ($\pi$) hay en cada molécula.
  3. c) Ordena las tres moléculas según la longitud del enlace C–C, de la más larga a la más corta, y justifica tu orden.
Resolver

Rotación y geometría en moléculas con enlaces múltiples

Un enlace $\sigma$ tiene simetría cilíndrica alrededor del eje: si giras uno de los grupos, el solapamiento frontal no cambia. Por eso en el etano los grupos $\text{CH}_3$ giran libremente.

Un enlace $\pi$ necesita que los dos orbitales $p$ estén paralelos. Si giras un extremo del doble enlace, los orbitales dejan de solaparse y el $\pi$ se rompe. Hacerlo requiere mucha energía (más de $250\ \text{kJ/mol}$), mucho más que la que hay a temperatura ambiente. Resultado: en el eteno no hay rotación.

Orbitales p paralelos solapados en un enlace pi y orbitales girados 90 grados que no se solapan π: p paralelos hay solapamiento giro de 90° sin solapamiento

Consecuencia: en el 2-buteno, $\text{CH}_3\text{–CH=CH–CH}_3$, los dos $\text{CH}_3$ pueden quedar del mismo lado del doble enlace (cis) o de lados opuestos (trans). Como no pueden girar, son dos compuestos distintos. En el butano, $\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_3$, todos los enlaces son $\sigma$, los grupos giran y solo hay una sustancia.

Practica★★★Sin empezar
Un compuesto tiene la fórmula estructural $\text{CH}2\text{=CH–C}\equiv\text{CH}$ (vinilacetileno). a) Determina la hibridación de cada carbono, numerándolos desde el…

Un compuesto tiene la fórmula estructural $\text{CH}_2\text{=CH–C}\equiv\text{CH}$ (vinilacetileno).

  1. a) Determina la hibridación de cada carbono, numerándolos desde el extremo $\text{CH}_2$.
  2. b) Calcula el total de enlaces $\sigma$ y $\pi$.
  3. c) Argumenta por qué los cuatro carbonos están en un mismo plano y por qué la cadena no es completamente lineal.
Resolver
Practica★★★Sin empezar
Valentina compara el enlace simple C–C del etano con el doble enlace C=C del eteno. Sabe que en el etano los grupos pueden girar libremente alrededor del enlace C–C,…

Valentina compara el enlace simple C–C del etano con el doble enlace C=C del eteno. Sabe que en el etano los grupos pueden girar libremente alrededor del enlace C–C, pero en el eteno no.

  1. a) Explica, con base en el tipo de solapamiento de orbitales ($\sigma$ y $\pi$), por qué existe esa diferencia.
  2. b) Con ese razonamiento, justifica por qué el 2-buteno presenta dos formas (cis y trans) y el butano no.
  3. c) Indica qué le ocurriría al enlace $\pi$ si se forzara la rotación y por qué se necesita mucha energía.
Resolver

Resumen

Vuelve al principio: el carbono tiene configuración $1s^2\,2s^2\,2p^2$ y solo dos electrones desapareados, pero un electrón $2s$ se promociona a $2p$ y los orbitales se hibridan, así que puede formar cuatro enlaces.

  • Carbono: 4 electrones de valencia, 4 enlaces covalentes.

  • $sp^3$: tetraédrico, $109{,}5^\circ$, enlaces simples. $sp^2$: trigonal plano, $120^\circ$, un doble enlace. $sp$: lineal, $180^\circ$, un triple (o dos dobles).

  • $\sigma$: solapamiento frontal, giro libre. $\pi$: solapamiento lateral de $p$ sin hibridar, impide el giro.

  • Simple = $1\,\sigma$; doble = $1\,\sigma + 1\,\pi$; triple = $1\,\sigma + 2\,\pi$. Más enlaces, enlace más corto.

  • Sin giro en C=C aparecen los isómeros cis y trans.

Ver todos los ejercicios de este apartado