Teoria del legame di valenza

La teoria del legame di valenza spiega un legame covalente come la sovrapposizione tra orbitali atomici di atomi vicini. Nella consueta descrizione introduttiva, gli elettroni di legame sono localizzati soprattutto tra i due nuclei, ed è per questo che il modello aiuta a spiegare la direzione del legame, i legami $\sigma$, i legami $\pi$ e l’ibridazione.

Se devi ricordare una sola domanda, ricorda questa: quali orbitali si stanno sovrapponendo per formare il legame? Questa domanda di solito ti porta molto più vicino alla chimica reale che limitarti a tracciare una linea tra due atomi.

Cosa dice la teoria del legame di valenza

Nella chimica introduttiva, la teoria del legame di valenza mette di solito in evidenza tre idee:

• un legame covalente nasce dalla sovrapposizione di orbitali atomici
• gli elettroni di legame sono trattati come localizzati principalmente tra due atomi
• il tipo di legame e la sua direzione dipendono da come gli orbitali si sovrappongono nello spazio

Per questo la forma degli orbitali è importante. Una sovrapposizione frontale dà un legame $\sigma$. Una sovrapposizione laterale di orbitali $p$ paralleli non ibridati dà un legame $\pi$.

Perché la sovrapposizione degli orbitali è importante

Non tutte le sovrapposizioni sono ugualmente efficaci. Una sovrapposizione più efficace di solito significa una maggiore densità elettronica tra i nuclei e, all’interno di questo modello, un’interazione di legame più forte.

Anche la direzione conta. Poiché gli orbitali puntano in direzioni specifiche, la teoria del legame di valenza aiuta a spiegare perché molti legami covalenti hanno geometrie prevedibili invece di disposizioni casuali.

Esempio svolto: l’etene e perché un doppio legame ha due parti

L’etene, $C_2H_4$, è un ottimo esempio perché mostra sia l’ibridazione sia la sovrapposizione degli orbitali in un’unica molecola.

Nella teoria del legame di valenza introduttiva, ciascun carbonio dell’etene viene comunemente descritto come ibridato $sp^2$. Questo fornisce a ogni carbonio tre orbitali $sp^2$ in un piano e un orbitale $p$ non ibridato perpendicolare a quel piano.

Allora il quadro dei legami è il seguente:

• un orbitale $sp^2$ di un carbonio si sovrappone frontalmente con un orbitale $sp^2$ dell’altro carbonio per formare il legame $\sigma$ $C-C$
• i restanti orbitali $sp^2$ di ciascun carbonio si sovrappongono con gli orbitali $1s$ dell’idrogeno per formare i quattro legami $\sigma$ $C-H$
• gli orbitali $p$ non ibridati dei due carboni si sovrappongono lateralmente per formare un legame $\pi$

Quindi il doppio legame carbonio-carbonio nell’etene non è formato da due legami identici. È un legame $\sigma$ più un legame $\pi$. Questa è una spiegazione diretta, secondo la teoria del legame di valenza, sia del tipo di legame sia della geometria.

Come si inserisce l’ibridazione

La teoria del legame di valenza di base può descrivere sovrapposizioni semplici come $1s-1s$ o $p-p$. Per molte molecole, però, questo non basta a spiegare gli angoli di legame osservati.

L’ibridazione estende il modello permettendo agli orbitali dello stesso atomo di mescolarsi prima della formazione del legame. In questa descrizione, etichette come $sp$, $sp^2$ e $sp^3$ aiutano a spiegare le comuni disposizioni lineari, trigonali planari e tetraedriche dei legami.

Nella maggior parte dei corsi introduttivi di chimica, l’ibridazione viene insegnata come parte del più ampio quadro della teoria del legame di valenza. È un modello usato per spiegare gli schemi di legame, non una teoria separata e concorrente.

Teoria del legame di valenza vs teoria degli orbitali molecolari

La teoria del legame di valenza e la teoria degli orbitali molecolari descrivono entrambe il legame covalente, ma mettono l’accento su immagini diverse.

La teoria del legame di valenza si concentra su legami localizzati tra coppie specifiche di atomi. La teoria degli orbitali molecolari usa orbitali che possono estendersi all’intera molecola. Per molti problemi introduttivi, la teoria del legame di valenza fornisce un quadro locale rapido. Se gli elettroni sono fortemente delocalizzati, la teoria degli orbitali molecolari descrive spesso la distribuzione in modo più naturale.

Nessuno dei due modelli dovrebbe essere trattato come l’unico linguaggio corretto per ogni molecola. Il modello migliore dipende da quale caratteristica stai cercando di spiegare.

Errori comuni

Trattare la teoria come se fosse solo una struttura di Lewis con parole nuove

Il punto non è la semplice linea di legame. Il punto è la sovrapposizione degli orbitali che crea densità elettronica di legame tra gli atomi.

Supporre che ogni molecola sia descritta al meglio da legami completamente localizzati

La teoria del legame di valenza funziona meglio come modello di legame localizzato. Se una molecola presenta una forte delocalizzazione, una descrizione puramente locale può non cogliere comportamenti importanti.

Dimenticare la condizione necessaria per un legame $\pi$

Un legame $\pi$ richiede orbitali $p$ paralleli non ibridati che possano sovrapporsi lateralmente. Se questa geometria non è disponibile, la consueta descrizione del legame $\pi$ non si applica.

Trattare l’ibridazione come una teoria separata

Nella maggior parte dei corsi introduttivi, l’ibridazione è un’estensione interna alla teoria del legame di valenza, non una teoria completamente scollegata.

Quando i chimici usano la teoria del legame di valenza

La teoria del legame di valenza è particolarmente utile quando vuoi spiegare:

• perché si forma un legame covalente tra due atomi
• perché un legame è un legame $\sigma$ oppure un legame $\pi$
• perché il legame ha una direzione
• perché l’ibridazione aiuta a spiegare gli angoli di legame in molte molecole comuni

È più pratica quando una molecola può essere descritta in modo ragionevole con legami localizzati e con una rappresentazione in stile struttura di Lewis. Per questo compare così spesso nella chimica organica introduttiva e nelle discussioni sul legame chimico.

Prova un caso simile

Prova la tua versione con l’acetilene, $C_2H_2$. Chiediti quali orbitali si sovrappongono per formare il legame $C-C$, quanti legami $\pi$ sono presenti e perché la geometria è lineare. Se vuoi collegarti a un altro argomento, passa poi all’ibridazione e confronta $sp$, $sp^2$ e $sp^3$ come modelli di legame.