Il carbonio è un non metallo del IV gruppo, con numero atomico Z= 6.

La configurazione elettronica dello stato fondamentale del carbonio è 1s²2s²2p¹x2p¹y2p0z; gli elettroni sono distribuiti come nell’immagine qui sotto:

Tale configurazione non giustifica il fatto che il carbonio formi in tutti i composti organici quattro legami covalenti: essendo presenti, infatti, solo due elettroni spaiati il carbonio dovrebbe legare solo due atomi di idrogeno e non quattro come effettivamente avviene nella molecola del metano CH4.

In realtà il carbonio può assumere una configurazione elettronica differente da quella dello stato fondamentale con il trasferimento di un elettrone dall’orbitale 2s all’orbitale 2pz vuoto.

In questa configurazione elettronica il carbonio possiede quattro elettroni spaiati e può quindi formare quattro legami con l’idrogeno, giustificando così la formazione del composto CH₄.

Tuttavia un gran numero di evidenze sperimentali mostra che nella molecola del metano i quattro legami C-H sono uguali e ciò non è compatibile con il fatto che il C, nel formare i legami, utilizzi due tipi di orbitali diversi (s e p).

La spiegazione a questo fatto fu fornita nel 1931 da Pauling che dimostrò matematicamente che un orbitale s e tre orbitali p si possono combinare o ibridare per formare quattro nuovi orbitali atomici orientati spazialmente verso i vertici di un tetraedro (angoli di 109,5°). Questi quattro orbitali sono detti ibridi sp³ in quanto derivano da una combinazione matematica di tre orbitali p e uno s.

Il concetto di ibridazione spiega come il carbonio possa formare quattro legami tetraedrici ma non ci dice il perché. La risposta risiede nel fatto che gli orbitali sp³, avendo uno dei due lobi più grandi dell’altro, riescono a formare legami più forti rispetto agli orbitali puri s e p.

L’ibridazione sp3 è lo stato elettronico più comune del carbonio, ma non è l’unico possibile. Nell’etilene (C2H4), ad esempio, l’ibridazione avviene tra l’orbitale 2s e gli orbitali 2px e 2py, dando origine a 3 orbitali ibridi sp2 equivalenti tra loro che giacciono nello stesso piano diretti verso i vertici di un triangolo equilatero (angoli di 120°); l’orbitale 2pz resta invece immodificato.

Se due atomi di carbonio ibridati sp² si avvicinano l’uno all’altro formano un legame sigma con la sovrapposizione sp² – sp². Quando questo accade, anche gli orbitali p di ogni atomo di carbonio non ibridati possono avvicinarsi l’un l’altro

in modo da formare un legame pi greco con la loro sovrapposizione laterale. La combinazione di una sovrapposizione di tipo sigma sp² – sp² con un tipo 2p – 2p porta alla compartecipazione netta di quattro elettroni e alla formazione di un doppio legame carbonio-carbonio.

Oltre alla capacità di formare legami singoli e doppi il carbonio può anche formare un terzo tipo di legame: il triplo legame carbonio-carbonio presente ad esempio nell’acetilene (C₂H₂). Per spiegare il legame nell’acetilene dobbiamo considerare l’esistenza di un terzo tipo di orbitale ibrido, l’ibrido sp. In tale tipo di ibridazione l’orbitale s si combina con un solo orbitale p dando origine a due orbitali ibridi sp lineari, cioè disposti a 180° sul medesimo asse, mentre gli altri due orbitali p restano immodificati. Se due atomi di C con ibridazione sp si avvicinano l’uno all’altro si forma un legame sigma dato dalla sovrapposizione sp – sp; contemporaneamente gli orbitali p_z di ogni atomo di carbonio si sovrappongono lateralmente formando un legame pi greco p_z – p_z e, allo stesso modo, si comportano gli orbitali p_y. Il risultato è la formazione di un legame sigma e due legami pi greco, ovvero di un triplo legame carbonio-carbonio.

Isomeria (isos + meros, che significa stesse parti): stessa formula molecolare, ma composti differenti.

Se la differenza tra le due molecole è dovuta alla diversa connettività tra gli atomi si parla di isomeria costituzionale e i due composti si dicono isomeri costituzionali o di struttura

Se la differenza tra le due molecole è dovuta ad una diversa distribuzione degli atomi nello spazio si parla di stereoisomeria e i due composti si dicono stereoisomeri.

Gli isomeri costituzionali possono essere isomeri:

• di catena: tale isomeria interessa la struttura dello “scheletro” di carbonio, ossia la presenza e la posizione di ramificazioni o anelli; isomeri di questo tipo hanno proprietà fisiche diverse, ma la reattività chimica, spesso, è abbastanza
• di posizione: tale isomeria interessa la posizione di legami multipli o di gruppi contenenti atomi diversi da carbonio e idrogeno; isomeri di questo tipo hanno proprietà fisiche diverse, ma reattività chimica spesso simile.
• di gruppo funzionale: tale isomeria indica che due isomeri, pur avendo formula molecolare uguale, presentano gruppi funzionalmente diversi e hanno quindi proprietà chimiche e fisiche molto differenti.