Chemiczna hybrydyzacja sp, sp2, sp3

The hybrydyzacja chemiczna jest „mieszaniną” orbitali atomowych, których koncepcja została wprowadzona przez chemika Linusa Paulinga w 1931 r., aby objąć niedoskonałości teorii powiązania Walencji (TEV). Jakie niedoskonałości? Są to: geometrie molekularne i równoważne długości ogniw w cząsteczkach, takich jak metan (CH₄).

Zgodnie z TEV, w metanie orbitale atomowe C tworzą cztery wiązania σ z czterema atomami H. Orbitale 2p z formami formas (obraz dolny) C są prostopadłe do siebie, więc H powinny być oddzielone innych pod kątem 90º.

Dodatkowo, orbita 2s (sferyczna) C jest połączona z orbitą 1s H pod kątem 135º w stosunku do pozostałych trzech H. Jednak eksperymentalnie stwierdzono, że kąty w CH₄ wynoszą 109,5º, a ponadto długości wiązań C-H są równoważne.

Aby to wyjaśnić, należy rozważyć połączenie oryginalnych orbitali atomowych, aby utworzyć cztery zdegenerowane orbitale hybrydowe (o równej energii). Oto chemia chemiczna. Jakie są orbitale hybrydowe? Zależy od orbitali atomowych, które je generują. Wykazują one również mieszankę tych cech elektronicznych.

Indeks

• 1 sp3 Hybrydyzacja
  • 1.1 Interpretacja
  • 1.2 Odchylenia kątów ogniw
• 2 Hybrydyzacja sp2
• 3 Hybridization sp
• 4 odniesienia

Hybridization sp³

W przypadku CH₄, Hybrydyzacja C to sp³. Z tego podejścia wyjaśniono geometrię molekularną za pomocą czterech orbitali sp³ oddzielone na 109,5º i skierowane w stronę wierzchołków czworościanu.

Na obrazku powyżej możesz zobaczyć, jak orbitale sp³ (zielony) ustanawia tetraedryczne środowisko elektroniczne wokół atomu (A, które jest C dla CH₄).

Dlaczego 109,5 °, a nie inne kąty, aby „narysować” inną geometrię? Powodem jest to, że ten kąt minimalizuje odpychanie elektroniczne czterech atomów powiązanych z A.

W ten sposób cząsteczka CH₄ może być przedstawiony jako czworościan (czworościenna geometria molekularna).

Gdyby zamiast H, C tworzył połączenia z innymi grupami atomów, jaka byłaby wówczas jego hybrydyzacja? Dopóki węgiel tworzy cztery wiązania σ (C-A), jego hybrydyzacja będzie³.

Można założyć, że w innych związkach organicznych, takich jak CH₃OH, CCl₄, C (CH₃)₄, C₆H₁₂ (cykloheksan) itp. węgiel ma hybrydyzację sp³.

Ma to fundamentalne znaczenie dla szkicowania struktur organicznych, w których węgle z prostymi wiązaniami reprezentują punkty rozbieżności; to znaczy struktura nie pozostaje w jednej płaszczyźnie.

Interpretacja

Jaka jest najprostsza interpretacja tych hybrydowych orbitali bez uwzględnienia aspektów matematycznych (funkcji falowych)? Orbitale sp³ sugerują, że zostały one zapoczątkowane przez cztery orbitale: jeden s i trzy p.

Ponieważ połączenie tych orbitali atomowych ma być idealne, cztery orbitale sp³ wynikające są identyczne i zajmują różne orientacje w przestrzeni (np. w orbitale p_x, str_i i p_z).

Powyższe ma zastosowanie do pozostałych możliwych hybrydyzacji: liczba tworzonych orbitali hybrydowych jest taka sama jak połączonych orbitali atomowych. Na przykład orbitale hybrydowe sp³d² są one utworzone z sześciu orbitali atomowych: jeden s, trzy p i dwa d.

Odchylenia kątów ogniw

Zgodnie z teorią odpychania elektronicznych par warstwy Walencji (VSEPR) para wolnych elektronów zajmuje większą objętość niż połączony atom. Powoduje to, że łącza przesuwają się, zmniejszając napięcie elektroniczne i zmieniając kąty 109,5º:

Na przykład w cząsteczce wody atomy H są związane z orbitaliami sp³ (na zielono), a także pary elektronów nie współdzielone „:” zajmują te orbitale.

Odpychania tych par elektronów są zwykle przedstawiane jako „dwie kule z oczami”, które ze względu na swoją objętość odpychają dwa wiązania σ O-H.

Zatem w wodzie kąty połączeń są naprawdę 105º, zamiast 109,5º oczekiwanej dla geometrii czworościennej.

Jaka geometria ma H?₂O? Ma geometrię kątową. Dlaczego? Ponieważ chociaż geometria elektronowa jest tetraedryczna, dwie pary niepodzielonych elektronów odwracają się od niej do kątowej geometrii molekularnej.

Hybridization sp²

Gdy atom łączy dwa orbitale p i s, generuje trzy orbitale hybrydowe sp²; jednakże orbital p pozostaje niezmieniony (ponieważ są trzy), co jest przedstawione jako pomarańczowy pasek na powyższym obrazku.

Oto trzy orbitale sp² są zielone, aby podkreślić ich różnicę od pomarańczowego paska: „czysty” orbital p.

Atom z hybrydyzacją sp² można wizualizować jako płaską podłogę trygonalną (trójkąt narysowany za pomocą orbitali sp.)² koloru zielonego), z wierzchołkami oddzielonymi kątami 120º i prostopadłymi do pręta.

Jaką rolę odgrywa czysta gra orbitalna p? To tworzenia podwójnego wiązania (=). Orbitale sp² pozwolić na utworzenie trzech wiązań σ, podczas gdy czysty orbital p wiązanie π (wiązanie podwójne lub potrójne oznacza jedno lub dwa wiązania π).

Na przykład, aby narysować grupę karbonylową i strukturę cząsteczki formaldehydu (H₂C = O), postępuje w następujący sposób:

Orbitale sp² zarówno C, jak i O tworzą wiązanie σ, podczas gdy ich czyste orbitale tworzą wiązanie π (pomarańczowy prostokąt).

Można zobaczyć, jak pozostałe grupy elektroniczne (atomy H i niepodzielone pary elektronów) znajdują się w innych orbitaliach sp.², oddzielone o 120º.

Hybridization sp

Górny obraz pokazuje atom A z hybrydyzacją sp. Tutaj orbital s i orbital p łączą się, tworząc dwa zdegenerowane orbitale sp. Jednak teraz dwa czyste orbitale p pozostają niezmienione, co pozwala A utworzyć dwa podwójne wiązania lub potrójne wiązanie (≡).

Innymi słowy: jeśli w strukturze C jest zgodne z powyższym (= C = lub C≡C), to jego hybrydyzacja jest sp. Dla innych mniej ilustrujących atomów - takich jak metale przejściowe - opis geometrii elektronowej i molekularnej jest skomplikowany, ponieważ rozważane są również orbitale d, a nawet orbitale f..

Orbitale hybrydowe są oddzielone kątem 180º. Z tego powodu połączone atomy są ułożone w liniowej geometrii molekularnej (B-A-B). Wreszcie na obrazku poniżej możesz zobaczyć strukturę anionu cyjanku:

Referencje

1. Sven. (3 czerwca 2006 r.). S-p-orbitale. [Rysunek] Pobrano 24 maja 2018 r. Z: commons.wikimedia.org
2. Richard C. Banks. (Maj 2002). Klejenie i hybrydyzacja. Źródło: 24 maja 2018 r. Z: chemistry.boisestate.edu
3. James. (2018). Skrót do hybrydyzacji. Źródło: 24 maja 2018 r. Z: masterorganicchemistry.com
4. Dr Ian Hunt. Department of Chemistry, University of Calgary. hybrydyzacja sp3. Źródło: 24 maja 2018 r. Z: chem.ucalgary.ca
5. Wiązanie chemiczne II: Geometria molekularna i hybrydyzacja orbitali atomowych Rozdział 10. [PDF]. Źródło: 24 maja 2018 r. Z: wou.edu
6. Quimitube (2015). Wiązanie kowalencyjne: Wprowadzenie do hybrydyzacji orbitali atomowych. Pobrano 24 maja 2018 r. Z: quimitube.com
7. Shiver i Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna (Czwarte wydanie, strona 51). Mc Graw Hill.