Il metano è un idrocarburo che appartiene alla famiglia degli alcani ed è formato da un atomo di carbonio legato attraverso legami covalenti a quattro atomi di idrogeno. In natura si trova sotto forma di gas.
I quattro legami covalenti C-H del metano hanno la stessa lunghezza, la stessa energia e gli stessi angoli di legame (109,5°). Questo vuol dire, ovviamente, che tutti e 4 i legami sono identici.
L’angolo di legame di questa molecola è detto angolo di legame tetraedrico. Il carbonio centrale è ibridato sp3, quindi ha 4 orbitali ibridi come tutti i carboni delle molecole della classe degli alcani, di cui è il membro più corto.
Promozione dell’elettrone nell’atomo di C
Riflettendo sulla configurazione elettronica dell’atomo di carbonio notiamo che, affinché si formino 4 legami covalenti con 4 atomi di idrogeno, è necessario che uno degli elettroni dell’orbitale 2s sia promosso nell’orbitale atomico 2p libero. Nella figura sottostante possiamo vedere quello che succede.
Ma questo processo è energeticamente possibile? La risposta è si!
Per promuovere un elettrone dall’orbitale 2s ad un’orbitale 2p è necessario spendere 96 Kcal/mol ma, nella formazione dei quattro legami covalenti C-H, si ottengono 420 Kcal/mol. Questo vuole dire che la promozione è energeticamente vantaggiosa perché, in totale, provoca il rilascio di 324 Kcal/mol.
Orbitali ibridi del metano
Il carbonio, per formare quattro legami identici con l’idrogeno, utilizza orbitali ibridi. Questi sono degli orbitali misti che si originano dalla combinazione di due orbitali.
Il risultato, in questo caso, sono 4 orbitali identici tutti formati da una parte s e tre parti p. L’orbitale sp3 avrà quindi energia minore di p, ma maggiore di s.
Nel metano i quattro orbitali ibridi si dispongono nello spazio in modo da essere il più lontano possibile tra loro, per minimizzare la repulsione. Ogni legame C-H è formato dalla sovrapposizione di un’orbitale sp3 del carbonio e l’orbitale s dell’idrogeno.
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