Henry A. Bent (1926-2015): un chimico poco noto− Parte I

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Rinaldo Cervellati

Conoscevo il nome di Bent per alcuni suoi scritti provocatori sul Journal of Chemical Education, ad es. Should the Mole Concept be X-Rated? (1985, 62, 59) o Should Atomic Orbital Be X-Rated in Beginning Chemistry Courses ? (1984, 61, 421-423) in cui la domanda è: dovrebbe il tale concetto (mole, orbitali…) essere vietato ai minori? La curiosità di saperne di più mi è venuta quando, lavorando al post sulla teoria del legame di valenza, mi sono imbattuto nella “regola di Bent” riguardante l’ibridizzazione degli orbitali. Anzitutto un poco di biografia.

Henry Albert Bent (Cambridge, MA 1926 – Pittsburgh, PA 2015), figlio di Henry E. Bent professore di chimica all’Università di Pittsburgh, ereditò dal padre la passione per la chimica. Completò il B.Sc in chimica fisica all’Oberlin College (contea di Lorain, Ohio). Nella seconda Guerra Mondiale Bent ha servito in Marina come tecnico radar.

Henry A. Bent

Ottenne il Ph.D. in Chimica nel 1952 all’Università di Berkeley, in un ambiente vivace e stimolante, dove si proseguivano le ricerche sviluppate dal Gruppo del professor G.N. Lewis, scomparso nel 1949. La dissertazione di dottorato ebbe come argomento la decomposizione del nitrato d’ammonio fuso.

Prima del suo arrivo in Minnesota nel 1958, era stato professore di chimica fisica all’università del Connecticut.

All’Università del Minnesota, è stato professore di chimica inorganica fino al 1969, per poi passare alla North Carolina State University a Raleigh e, infine nel 1990 all’Università di Pittsburgh (PA). Ritiratosi nel 1992, ha continuato a interessarsi attivamente di temi e problemi di didattica e promozione della chimica; come direttore del programma Van Outreach effettuò una serie di esperimenti dimostrativi per gli studenti di tutta la zona di Pittsburgh.

I suoi principali interessi di ricerca sono stati la termodinamica, la teoria del legame chimico e la didattica della chimica, tutti argomenti molto sentiti dal gruppo di Berkeley, come ricordato più volte in altri post.

Vignetta satirica (1868) su G. Hirn1

Per quanto riguarda la termodinamica, nel 1962, Bent propose un approccio di analisi globale dell’entropia concepito per valutare la spontaneità dei processi chimico-fisici-chimici[1]. Nel 1977, nel contesto della termodinamica filosofica[1], Bent ha coniato la frase “etica dell’entropia personale”.

In un articolo, suggerisce che per superare le crisi energetiche bisogna anzitutto essere etici negli aspetti energetici della vita basati sulla conoscenza della seconda legge della termodinamica. In particolare, al posto di una politica energetica nazionale, Bent afferma:

“What we need is a personal entropy ethic.” (“Quello di cui abbiamo bisogno è un’etica personale di entropia”) [2].

Nello stesso 1977, Bent condusse i “Workshops su termodinamica, arte, poesia e ambiente” per la National Science Foundation, discutendo con gli studenti, fra l’altro, una critica dell’asserzione “non creare inutilmente Entropia”.

Nella teoria del legame chimico il suo principale contributo è stato l’aver dimostrato empiricamente che per interpretare la struttura e le proprietà delle molecole degli elementi della prima riga della Tavola Periodica si doveva ammettere l’ineguaglianza degli orbitali ibridi dell’atomo centrale legato ad atomi o gruppi diversi fra loro e aver correlato questa disuguaglianza all’elettronegatività dei legandi (“regola” di Bent). Di ciò ci occuperemo con qualche dettaglio in questo post.

Riguardo all’insegnamento e alla didattica, il suo entusiasmo per la chimica lo ha condotto a pubblicare decine di articoli e note sul J. Chem. Educ. E’ stato un insegnante molto popolare trattando argomenti che vanno dalle fiamme e dalle esplosioni ai fondamenti della scienza e all’arte astratta. Particolare insistenza ha posto su insegnare chimica attraverso esperimenti e dimostrazioni pratiche. Per questo è stato insignito di numerosi premi per l’educazione e la formazione chimica.

L’entusiasmo e l’amore per gli atomi e le molecole furono una forza trainante nel lavoro e nella vita di Bent. La sua lunga carriera di chimico e insegnante è culminata in idee non convenzionali, come quella di collocare l’elio sul berillio nella tavola periodica, l’utilizzo di modelli di sfera di valenza per simulare i profili di densità elettronica nelle molecole, la rivalutazione degli esperimenti dimostrativi nell’insegnamento.

La “regola” di Bent

Nella versione originale della teoria del legame di valenza [3], si ipotizza che gli elettroni di valenza degli elementi del blocco p siano ibridizzati spn, con n = 1, 2 o 3. Inoltre, si assume che gli orbitali ibridi sono tutti equivalenti (cioè gli n+1orbitali spn hanno lo stesso carattere p). I risultati di quest’approccio sono in generale soddisfacenti, ma possono essere migliorati ammettendo che gli orbitali ibridizzati possono avere carattere ineguale, cioè non essere equivalenti.

Nel fascicolo di giugno 1961, la rivista Chemical Reviews pubblicò un lungo lavoro intitolato: “An Appraisal of Valence-Bond Structures and Hybridization in Compounds of the First-Row Elements” [4], in cui Bent illustrava in dettaglio la sua teoria, peraltro già conosciuta come “regola di Bent”, come si vedrà più avanti[2].

La regola di Bent fornisce un’indicazione precisa su come questi orbitali non equivalenti dovrebbero essere costruiti [4].

Secondo Bent:

Atomic s character concentrates in orbitals directed toward electropositive substituents. Or, atomic p character concentrates in orbitals directed toward electronegative substituents.

([4], p. 291), ovvero:

L’atomo centrale legato a più gruppi esterni in una molecola, si ibridizzerà in modo che orbitali con un maggior carattere s siano diretti verso gruppi elettropositivi, mentre orbitali con maggior carattere p saranno diretti verso i gruppi più elettronegativi.

Rimuovendo l’ipotesi che tutti gli orbitali ibridi spn siano equivalenti, Bent ottenne migliori interpretazioni di proprietà come la geometria molecolare (angoli e lunghezze di legame), l’energia di legame, l’effetto induttivo e le costanti di accoppiamento J 1H−13C in spettrometria NMR.

Come esempio prendiamo gli angoli di legame:

Consideriamo dapprima gli angoli di legame nelle tre molecole metano, etene ed etino:

e tenendo conto che il carbonio ibridizza sp3 nella prima, sp2 nella seconda e sp nella terza appare chiaro che all’aumentare del carattere p degli orbitali ibridi diminuisce l’angolo di legame.

Nel suo lavoro, Bent propone, per gli angoli, il seguente esempio:

In queste quattro molecole (etere dimetilico, alcol metilico, acqua, difluoruro di ossigeno), l’atomo di ossigeno centrale, tenendo conto dei doppietti elettronici non condivisi è ibridizzato sp3, l’elettronegatività dei sostituenti aumenta nell’ordine F > H > CH3[3] sicché in base all’ipotesi di Bent ci si deve aspettare che FOF < HOH < HOCH3 < H3COCH3, infatti all’aumentare dell’elettronegatività del sostituente deve corrispondere un aumento del carattere p dell’ibrido verso il sostituente stesso e di conseguenza diminuire l’angolo di legame come riscontrato sperimentalmente (FOF(103,8)<HOH(104,5°)<HOCH3(107-109°)< H3COCH3(111°)) [4, p.288].

Scrive Bent:

Spesso è suggestivo considerare gli elettroni non condivisi come elettroni in un legame con un atomo di elettronegatività molto bassa (zero). Questa visione porta a supporre che i gruppi elettronegativi influenzino l’ibridazione atomica e, per inferenza… proprietà molecolari come angoli di legame, lunghezze di legame, costanti di accoppiamento C13 e costanti induttive. (1961, p. 287)

Nel prevedere l’angolo di legame dell’acqua, la regola di Bent suggerisce che gli orbitali ibridi con maggior carattere s dovrebbero essere diretti verso le coppie solitarie, meno elettronegative, lasciando così orbitali con un maggior carattere p orientati verso gli idrogeni.

Questo aumentato carattere p in quegli orbitali diminuisce l’angolo di legame tra di essi rispetto al valore tetraedrico (109,5). La stessa logica può essere applicata all’ammoniaca, l’altro esempio canonico di questo fenomeno.

La “regola” può essere generalizzata anche agli elementi del blocco d.

Di orbitali ibridi non equivalenti si trova un primo cenno nel libro di Charles A. Coulson [6, p. 206-7] che in seguito svilupperà gli aspetti formali della regola di Bent (v. Formal Theory section at: https://en.wikipedia.org/wiki/Bent%27s_rule).

In una breve nota, comparsa nel 1982, Bent racconta la storia della sua regola [5]:

Nel 1955, in qualità di assistente ricercatore presso l’Università del Minnesota, lavoravo ad un progetto sugli spettri infrarossi delle fiamme dei propellenti per razzi, e un forte assorbimento non identificato mi portò a scoprire e a identificare la struttura di un nuovo dimero di N2O4. Ne nacque una crescente curiosità sulle relazioni fra struttura e proprietà molecolari.

Già dopo la Prima Guerra, le implicazioni delle informazioni provenienti dalla diffrazione dei raggi X e degli elettroni sulla teoria strutturale erano state interpretate da Pauling nel suo classico libro La Natura del Legame Chimico… Dopo la Seconda Guerra Mondiale, gli impieghi in tempo di pace della tecnologia a microonde del radar [spettroscopia rotazionale a microonde] hanno reso possibile la determinazione delle strutture molecolari con maggiore precisione. Nel 1956 mi sembrava che i risultati sperimentali non si accordassero con la teoria degli orbitali ibridi convenzionale. Ho quindi trovato la prova per la tesi che l’ibridazione orbitale ha effetto non solo sugli angoli di legame, ma anche sui momenti dipolari, sulle costanti induttive e quelle di accoppiamento, sulle costanti del campo di forza, sulle energie di dissociazione e le lunghezze di legame. Gli effetti sono stati riassunti in una “regola”, talvolta citata come “regola di Bent”. Ho costruito la teoria in base alle ben note idee di G.N. Lewis e di Pauling, estendendo il concetto di elettronegatività…

Per diversi anni i miei lavori sulla “regola” sono stati rifiutati dal Journal of the American Chemical Society… Una serie di brevi articoli e note sono state pubblicate…. nel Journal of Chemical Physics*, prima che comparisse una review completa… sostenuta da un ampio numero di dati e da una linea di ragionamenti ben condivisa… Forse ho trovato una spiegazione fisica semplice, non mistica per il carattere s, tuttavia ancora prima di ciò che la regola può spiegare, sta il fatto che non è mai stata proposta da altri autori.[5, p. 22]

*Ho trovato alcune di queste note, si tratta di Letters to the Editor, le riporto nelle citazioni bibliografiche [7-9]

Infine, è il caso di ricordare che recentemente è stata provata la validità della teoria (io preferisco chiamarla così) di Bent su 75 tipi diversi di legami con atomi dei gruppi principali della Tavola Periodica [10].

Per le note biografiche mi sono servito delle seguenti fonti:

http://www.eoht.info/page/Henry+Bent

https://cse.umn.edu/news-feature/in-memoriam-henry-albert-bent/

http://www.post-gazette.com/news/obituaries/2015/01/11/Pitt-professor-proved-that-science-can-be-fun/stories/201501080119

http://garfield.library.upenn.edu/classics1982/A1982PE54500001.pdf

Bibliografia

[1] (a) H.A. Bent, The Second Law: an Introduction to Classical and Statistical Thermodynamics. Oxford University Press, 1965; (b) H. A. Bent, Haste Makes Waste: Pollution and Entropy, Chemistry, 1971, 44, 6-15.

[2] H. A. Bent, Entropy and the Energy Crisis, The Science Teacher, 1977, May, 25-30.

[3] (a) L. Pauling, The Nature of the Chemical Bond. Application of Results Obtained from the Quantum Mechanics and from a Theory of Paramagnetic Susceptibility to the Structure of Molecules, J. Am. Chem. Soc., 1931, 53, 1367-1400. (b) L. Pauling, The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals: An Introduction to Modern Structural Chemistry, Oxford University Press, London, 1939. Trad ital.: La natura del legame chimico, Franco Angeli, Milano, 2011 (ripubblicato, tradotto in italiano la prima volta dopo la Liberazione).

[4] H.A. Bent, An Appraisal of Valence-Bond Structures and Hybridization in Compounds of the First-Row Elements, Chem. Rev., 1961, 61, 275-311.

[5] Current Contents/Physical Chemical & Earth Sciences, n.37, September, 13, 1982, p. 22

[6] C.A. Coulson, La Valenza, Zanichelli, Bologna, 1964 (Trad. it. Sulla II Ed.Amer., 1961)

[7] H.A. Bent, Electronegativities from Comparison of Bond Lengths in AH and AH +, J. Chem. Phys., 1960, 33, 1258-1259

[8] H.A. Bent, Correlation of Bond Shortening by Electronegative Substituents with Orbital Hybridization, J. Chem. Phys., 1960, 33, 1259-1260.

[9] H.A. Bent, Bond Shortening by Electronegative Substituents, J. Chem. Phys., 1960, 33, 1260-

[10] I.V.Alabugin, S. Bresch, M. Manoharan, Hybridization Trends for Main Group Elements and Expanding the Bent’s Rule Beyond Carbon: More than Electronegativity, J. Phys. Chem. A 2014, 118, 3663– 3677.

[1]La termodinamica filosofica studia le implicazioni termodinamiche sul modo di vivere (etica), quali tipi di oggetti esistono e quali sono le loro essenze naturali (metafisica); ricerca del significato della conoscenza (epistemologia). Ricerca i corretti principi di ragionamento (logica). Può essere datata dal 1869 anno di pubblicazione del libro Philosophical Implications of Thermodynamics, del fisico francese Gustave Hirn (1815-1890), http://www.eoht.info/page/Philosophical+thermodynamics

[2] Vale la pena notare che nel numero di dicembre 1960 del J. Chem. Educ. era stato pubblicato un articolo di Bent molto simile a quello comparso su Chem. Rev. (H.A. Bent, Distribution of Atomic s-Character in Molecules and Its Chemical Implications, J. Chem. Educ., 1960, 37, 616-624.)

[3] Nel suo lavoro originale, Bent, considera che l’elettronegatività del gruppo metile sia inferiore a quella dell’atomo di idrogeno perché la sostituzione del metile riduce le costanti di dissociazione dell’acido formico e dell’acido acetico.