El diborano tiene la interesante propiedad de tener dos enlaces tricéntricos que se mantienen unidos por sólo 2 electrones cada uno (véase el diagrama siguiente, de Wikipedia ). Se conocen como "bonos de plátano".
Supongo que hay algún tipo de hibridación de enlaces, pero la geometría no parece ser similar a nada que esté familiarizado con el carbono. ¿Qué tipo de hibridación es, y por qué no vemos muchas (¿alguna?) otras moléculas con esta estructura de enlace?
Fíjate bien, es tetraédrica (distorsionada): cuatro grupos en posiciones casi simétricas en el espacio 3D{*}. Así que la hibridación es $sp^3$ .
Como puedes ver, la forma está distorsionada, pero es tetraédrica. Técnicamente, se puede decir que los enlaces del plátano están formados por orbitales similares a $sp^3$ pero no exactamente (como dos $sp^{3.1}$ y dos $sp^{2.9}$ ya que la hibridación es sólo una adición de funciones de onda, siempre podemos cambiar los coeficientes para dar una geometría adecuada). Sin embargo, no estoy muy seguro de esto.
$\ce{B}$ tiene un $2s^22p^1$ cáscara de valencia, por lo que tres enlaces covalentes le dan un octeto incompleto. $\ce{BH3}$ tiene un vacío $2p$ orbital. Este orbital se solapa con el existente $\ce{B-H}$ $\sigma$ nube de bonos (en un $\ce{BH3}$ ), y forma un enlace 3c2e.
Parece que hay muchos más compuestos con geometría 3c2e . Había olvidado por completo que había series enteras homólogas' bajo 'boranos' que tienen todos enlaces 3c2e (aunque no la misma estructura)
Y allí son También los compuestos de indio y galio. Siguen siendo del grupo IIIA, aunque son metales. Supongo que ellos, como $\ce{Al}$ , siguen formando enlaces covalentes.
Así que la razón básica de que esto ocurra se debe a que un octeto incompleto quiere llenarse a sí mismo.
Tenga en cuenta que "plátano" no es necesariamente sólo para 3c2e bonos. Cualquier vínculo doblado se denomina vínculo "bananero".
En cuanto a las estructuras similares, $\ce{BeCl2}$ y $\ce{AlCl3}$ vienen a la mente, pero ambos tienen la estructura a través de enlaces dativos (coordinados). Además, $\ce{BeCl2}$ es planar.
Se escabulle y revisa la Wikipedia. Wikipedia dice $\ce{Al2(CH3)6}$ es similar en estructura y tipo de enlace.
Supongo que tenemos menos compuestos de este tipo porque hay comparativamente pocos elementos ( $\ce{B}$ grupo bastante) con $\leq3$ electrones de valencia que forman enlaces covalentes (criterio para el orbital vacío). Además, $\ce{Al}$ es un caso dudoso: le gustan tanto los enlaces covalentes como los iónicos. Además, para esta geometría (ya sea por enlaces banales o por enlaces dativos), supongo que los tamaños relativos también importan--ya que $\ce{BCl3}$ es un monómero aunque $\ce{Cl}$ tiene un par solitario y puede formar un enlace dativo.
*¿Tal vez estás acostumbrado a la vista de la estructura tetraédrica con un átomo en la parte superior? Inclina mentalmente el átomo de boro hasta que un hidrógeno esté arriba. Deberías darte cuenta de que esto también es tetraédrico.
Aquí hay un gráfico de la Teoría Cuántica de los Átomos en las Moléculas que responde a su pregunta. He mostrado las trayectorias de enlace de $\ce{B2H6}$ . Efectivamente, son "como plátanos" pero curiosamente están curvados hacia dentro, a diferencia del caso del ciclopropano que están curvados hacia fuera.
(La hibridación no existe. Además, no estoy seguro de si tiene sentido atribuir "número de electrones" -como si fueran alícuotas- a cualquier interacción de enlace).
Además, fíjate en que he dibujado las trayectorias de enlace entre los B y los cuatro hidrógenos similares como sólidas (covalentes), y el conjunto de trayectorias de enlace a lo largo del "puente" como punteadas (no covalentes). Esto se debe a que el signo de los Laplacianos de la densidad de electrones en sus respectivos puntos críticos de bonc (esferas amarillas) son opuestos.
Los enlaces multicéntricos como éste (en este caso, un enlace de 3 centros y 2 electrones o "3c2e") son bastante fascinantes y hay mucho trabajo teórico para entenderlos. Yo también soy químico y tuvo que pasar por aprender las reglas de Wade y todo eso. Habrá un momento para una respuesta como esa.
Pero por ahora quiero publicar un post muy, muy , respuesta sencilla que pretende ser más intuitiva hacia el químico aficionado; porque no veo nada que llene este papel, y no creo que sea que difícil de explicar.
¿Qué hace posible los enlaces de plátano en el diborano?
Un enlace covalente "normal" es el de dos átomos que comparten dos electrones. Piensa en $\ce{F2}$ . ¿No es un poco extraño que esos electrones puedan pertenecer a ambos átomos "al mismo tiempo", para cumplir con sus dos octetos? Pero puedes creerlo, porque te lo enseñaron en una etapa temprana de la química. Es lo que podríamos llamar un enlace de 2 centros y 2 electrones, o "2c2e": hay dos electrones que se mantienen, o se comparten, entre dos centros (dos núcleos).
Ahora, el flúor tiene un lote de electrones de valencia para formar enlaces covalentes con. Piensa en lo que ocurre si no hay suficientes electrones para repartir: tienes que empezar a compartir los electrones con más átomos a la vez. Así, el enlace 3c2e en el diborano es igual, excepto que es tres átomos que comparten dos electrones, y de alguna manera esos dos electrones pertenecen a todo los átomos al mismo tiempo.
Así, todo el mundo puede cumplir su octeto (o dúo) completo:
¿Cuál es la trampa? ¿Por qué no podemos compartir los electrones entre más átomos? Bueno, cuanto más se comparten los electrones, más débil es el enlace. Esto ya es evidente en el caso del diborano: los enlaces B-H interiores ("puente") son más largos y débiles que los enlaces B-H exteriores ("terminales").
Es como tener sólo dos rebanadas de pastel para alimentar a tres personas. Como no quieres que nadie haga un berrinche, cortas los trozos y les das a todos 2/3 de un trozo, y todos siguen teniendo tarta, pero no es tanta como les hubiera gustado.
Pero volviendo a la cuestión original de lo que hace posible los bonos de plátano La idea es que no es tan mágica como parece a primera vista. La idea que subyace a su formación es exactamente la misma que la de un enlace covalente normal: todos los átomos prefieren tener un octeto completo. La única diferencia es que tenemos tres compañeros de enlace que participan en el vínculo, en lugar de sólo dos.
¿Qué tipo de hibridación es?
Esto se puede deducir de los ángulos de unión y de la geometría. Sin embargo, OMI, no vale la pena averiguarlo: incluso si lo calculas y descubres que es $\mathrm{sp}^{2.7182818}$ en un bono y $\mathrm{sp}^{1.5}$ en el otro, no vas a hacer nada con esa información. Ten en cuenta que se trata de enlaces B-H, no de enlaces C-H, y de todos modos los dos tipos de enlaces (2c2e / "terminal" y 3c2e / "puente") son diferentes en cuanto a su fuerza, por lo que no puedes utilizar la información de hibridación para compararlo con algo como el metano.
¿por qué no vemos muchas (¿alguna?) otras moléculas con esta estructura de enlace?
La mayoría de los elementos tienen suficientes electrones de valencia para no tener que recurrir a estos enlaces más débiles. Por ejemplo, el carbono ya tiene cuatro electrones de valencia y se conforma con formar cuatro enlaces covalentes normales 2c2e; pero el boro sólo tiene tres electrones de valencia. Aunque los utilice para formar tres enlaces 2c2e, sólo tiene seis electrones: no es un octeto completo.
Claro, podría esperanza obtener un enlace dativo de otro lugar, pero eso depende de que choque con una molécula que pourrait darle un vínculo dativo, como $\ce{NH3}$ (ver https://en.wikipedia.org/wiki/Ammonia_borane ). Pero si está atrapado un recipiente sin amoníaco a la vista, entonces hace lo siguiente mejor, que es tratar de estirar los electrones entre más compañeros de enlace.
De hecho, el boro es bastante notorio en este sentido: no tiene suficientes electrones para formar enlaces, pero aun así quiere llenar una especie de "octeto". El problema de no tener suficientes electrones conduce a patrones de enlace muy interesantes en los boranos; el diborano es sólo la punta del iceberg. Para más información, consulte https://en.wikipedia.org/wiki/Boranes .
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