La delocalizzazione degli elettroni nelle molecole e il metodo dell’orbitale molecolare
La risonanza è un metodo di rappresentazione delle molecole in chimica che permette di descrivere la delocalizzazione degli elettroni in particolari strutture molecolari. Questo fenomeno si presenta in molecole in cui il legame non può essere descritto da una singola struttura di Lewis. I due principali legami covalenti σ e π si formano per sovrapposizione di orbitali atomici: orbitali ibridi s + p per i legami σ e orbitali p per i legami π.
In entrambi i casi, la coppia di elettroni di legame è associata con i due atomi legati e si dice localizzata. Tuttavia, con l’ibridazione sp3, sp2 e sp, che si sovrappongono in modo da formare un legame σ, gli elettroni di legame sono localizzati. Con i due orbitali p, che si sovrappongono lateralmente, si può avere un orbitale π più esteso in cui gli elettroni di legame non sono più limitati a due atomi ma si delocalizzano su un maggior numero di nuclei.
La delocalizzazione riveste un ruolo fondamentale nelle caratteristiche chimico-fisiche della molecola, specialmente nelle molecole insature che presentano doppi legami coniugati capaci di sovrapporsi ulteriormente. Tuttavia, la comprensione e la razionalizzazione di tali molecole si sono evolute solo dopo l’avvento della meccanica quantistica tra il 1920 e il 1930. La risoluzione completa dell’equazione d’onda per una molecola permette di prevedere le sue proprietà, ma nella pratica sono state sviluppate soluzioni approssimate per molte molecole.
Il metodo degli orbitali molecolari prevede la creazione di tanti orbitali molecolari quanti sono gli orbitali p da combinare. I coefficienti rappresentano il contributo di ogni struttura alla struttura reale della molecola.
Un esempio classico di molecola su cui viene applicato il metodo dell’orbitale molecolare è il benzene. La molecola è completamente simmetrica e i suoi sei elettroni π devono essere distribuiti simmetricamente sui sei atomi di carbonio. Questo metodo permette di ottenere un’approssimazione della struttura reale della molecola, mescolando le proprietà di due o più strutture che contengono gli stessi elettroni π localizzati in vari modi.
Il caso classico del benzene e delle sue strutture localizzate, dette di Kekulè, rappresenta un esempio eloquente dell’applicazione del metodo degli orbitali molecolari e della risonanza in chimica molecolare.