Hybrydyzacji chemiczna jest „mix” z orbitali atomowych, którego koncepcja została wprowadzona chemika Linusa Paulinga 1931 pokrycie niedoskonałości teorii wiązanie walencyjne (TEV). Jakie niedoskonałości? Są to: geometrie molekularne i równoważne długości wiązań w cząsteczkach takich jak metan (CH 4 ).
Według TEV, w metanie orbitale atomowe C tworzą cztery wiązania σ z czterema atomami H. Orbitale 2p o kształtach (dolne zdjęcie) C są do siebie prostopadłe, więc H powinno być kilka od innych pod kątem 90º.
Dodatkowo orbital 2s (kulisty) C wiąże się z orbitalem 1s H pod kątem 135º w stosunku do pozostałych trzech H. Jednak eksperymentalnie stwierdzono, że kąty w CH 4 wynoszą 109,5º i że Ponadto długości wiązań C - H są równoważne.
Aby to wyjaśnić, należy rozważyć kombinację oryginalnych orbitali atomowych tworzących cztery zdegenerowane orbitale hybrydowe (o równej energii). Tutaj do gry wkracza hybrydyzacja chemiczna. Jakie są orbitale hybrydowe? Zależy to od orbitali atomowych, które je generują. Ponadto wykazują mieszankę swoich właściwości elektronicznych.
Hybrydyzacja Sp
W przypadku CH 4 , hybrydyzacja C to sp 3 . W tym podejściu geometria molekularna jest wyjaśniona za pomocą czterech orbitali sp 3 rozdzielonych na 109,5º i skierowanych w stronę wierzchołków czworościanu.
Na górnym obrazie można zobaczyć, jak orbitale sp 3 (zielone) tworzą tetraedryczne środowisko elektroniczne wokół atomu (A, co oznacza C dla CH 4 ).
Dlaczego 109,5º, a nie inne kąty, aby „narysować” inną geometrię? Powodem jest to, że ten kąt minimalizuje odpychanie elektroniczne czterech atomów, które wiążą się z A.
Tak więc, CH 4 cząsteczki mogą być przedstawione w postaci czworościanu (czworościenne geometrii cząsteczkowy).
Gdyby zamiast H, C utworzyło wiązania z innymi grupami atomów, jaka byłaby ich hybrydyzacja? Dopóki węgiel tworzy cztery wiązania σ (C - A), ich hybrydyzacja będzie sp 3 .
Można zatem przyjąć, że w innych związkach organicznych, takich jak CH 3 OH, CCl 4 , C (CH 3 ) 4 , C 6 H 12 (cykloheksan) itp., Węgiel ma hybrydyzację sp 3 .
Ma to zasadnicze znaczenie dla szkicowania struktur organicznych, gdzie pojedyncze węgle związane reprezentują punkty rozbieżności; to znaczy, struktura nie pozostaje na jednej płaszczyźnie.
Interpretacja
Jaka jest najprostsza interpretacja tych orbitali hybrydowych bez uwzględnienia aspektów matematycznych (funkcji falowych)? Orbitale sp 3 sugerują, że powstały z czterech orbitali: jednego si trzech p.
Ponieważ zakłada się, że kombinacja tych orbitali atomowych jest idealna, powstałe cztery orbitale sp 3 są identyczne i zajmują różne orientacje w przestrzeni (na przykład na orbitale p x , p i p z ).
Powyższe ma zastosowanie do pozostałych możliwych hybrydyzacji: liczba utworzonych orbitali hybrydowych jest taka sama, jak liczba orbitali atomowych, które są łączone. Na przykład orbitale hybrydowe sp 3 d 2 są utworzone z sześciu orbitali atomowych: jednego s, trzech p i dwóch d.
Odchylenia kąta wiązania
Zgodnie z teorią odpychania par elektronów z Walencji (RPECV), para wolnych elektronów zajmuje większą objętość niż związany atom. Powoduje to rozchodzenie się ogniw, zmniejszając napięcie elektroniczne i odchylając kąty od 109,5º:
Na przykład w cząsteczce wody atomy H są związane z orbitaliami sp 3 (na zielono), a także niewspółdzielone pary elektronów „:” zajmują te orbitale.
Odpychanie tych par elektronów jest zwykle przedstawiane jako „dwie kule z oczami”, które ze względu na swoją objętość odpychają dwa wiązania σ O - H.
Tak więc w wodzie kąty wiązania wynoszą w rzeczywistości 105º, zamiast 109,5º oczekiwanych dla geometrii czworościennej.
Jaką zatem geometrię ma H 2 O? Ma geometrię kątową. Czemu? Ponieważ chociaż geometria elektronowa jest tetraedryczna, dwie pary niewspólnych elektronów zniekształcają ją do kątowej geometrii molekularnej.
Hybrydyzacja Sp
Kiedy atom łączy dwa orbitale p i jeden s, generuje trzy orbitale hybrydowe sp 2 ; jednak jeden orbital p pozostaje niezmieniony (ponieważ są ich trzy), co jest przedstawione jako pomarańczowy pasek na górnym obrazku.
Tutaj wszystkie trzy orbitale sp 2 są zaznaczone na zielono, aby podkreślić ich różnicę w stosunku do pomarańczowego paska: „czysty” orbital p.
Atom z sp 2 hybrydyzacji mogą być wizualizowane w postaci płaskiej powierzchni, trójkątny (trójkąta sporządzonego z sp 2 orbitali zabarwionej zielonej), a ich wierzchołki oddzielone przez 120 ° kątem i prostopadle do listwy.
A jaką rolę odgrywa orbital czysty p? To tworzenie podwójnego wiązania (=). Orbitale sp 2 pozwalają na utworzenie trzech wiązań σ, podczas gdy czyste wiązanie orbitalne p jedno π (wiązanie podwójne lub potrójne obejmuje jedno lub dwa wiązania π).
Na przykład, aby narysować grupę karbonylową i strukturę cząsteczki formaldehydu (H 2 C = O), wykonaj następujące czynności:
Orbitale sp 2 zarówno C, jak i O tworzą wiązanie σ, podczas gdy ich czyste orbitale tworzą wiązanie π (pomarańczowy prostokąt).
Można zobaczyć, jak pozostałe grupy elektronowe (atomy H i niepodzielne pary elektronów) znajdują się na innych orbitali sp 2 , oddzielonych o 120º.
Hybrydyzacja Sp
Na górnym obrazie przedstawiono atom A z hybrydyzacją sp. Tutaj jeden orbital s i jeden orbital p łączą się, tworząc dwa zdegenerowane orbitale sp. Jednak teraz dwa czyste orbitale p pozostają niezmienione, co pozwala A na utworzenie dwóch podwójnych wiązań lub jednego potrójnego wiązania (≡).
Innymi słowy: jeśli w strukturze a C jest zgodne z powyższym (= C = lub C≡C), to jego hybrydyzacją jest sp. W przypadku innych, mniej ilustracyjnych atomów - takich jak metale przejściowe - opis geometrii elektronowej i molekularnej jest skomplikowany, ponieważ rozważa się również orbitale d i do f.
Orbitale hybrydowe są rozdzielone pod kątem 180º. Z tego powodu związane atomy są ułożone w liniowej geometrii molekularnej (BAB). Wreszcie, na poniższym obrazku można zobaczyć strukturę anionu cyjankowego:
Bibliografia
- Sven. (3 czerwca 2006). Sp-Orbitals. . Pobrane 24 maja 2018 z: commons.wikimedia.org
- Richard C. Banks. (Maj 2002). Wiązanie i hybrydyzacja. Pobrane 24 maja 2018 z: chemistry.boisestate.edu
- James. (2018). Skrót do hybrydyzacji. Pobrane 24 maja 2018 z: masterorganicchemistry.com
- Dr Ian Hunt. Wydział Chemii Uniwersytetu Calgary. hybrydyzacja sp3. Pobrane 24 maja 2018 z: chem.ucalgary.ca
- Wiązanie chemiczne II: Geometria molekularna i hybrydyzacja orbitali atomowych Rozdział 10. Pobrane 24 maja 2018 r.Z: wou.edu
- Quimitube. (2015). Wiązanie kowalencyjne: Wprowadzenie do hybrydyzacji atomowej orbity. Pobrane 24 maja 2018 r. Z: quimitube.com
- Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Wydanie czwarte, str. 51). Mc Graw Hill.