Гібридизації вуглецю включає в себе комбінацію двох чистих атомних орбіталей , щоб сформувати нову молекулярну орбіталь «гібрид» зі своїми власними характеристиками. Поняття атомної орбіталі дає краще пояснення, ніж попередня концепція орбіти, для встановлення наближення того, де існує більша ймовірність знаходження електрона в атомі.

Іншими словами, атомна орбіталь - це представлення квантової механіки для уявлення про положення електрона або пари електронів на певній ділянці всередині атома, де кожна орбіталь визначається відповідно до значень її чисел квантовий.

Квантові числа описують стан системи (наприклад, електрона всередині атома) в даний момент через енергію, що належить електрону (n), імпульс кута, який він описує у своєму русі (l), пов'язаний магнітний момент (m) і спін електрона під час руху в межах атома.

Ці параметри є унікальними для кожного електрона в орбіталі, тому два електрони не можуть мати абсолютно однакові значення чотирьох квантових чисел, і кожен орбітал може бути зайнятий щонайбільше двома електронами.

Що таке гібридизація вуглецю?

Для опису гібридизації вуглецю необхідно враховувати, що характеристики кожної орбіталі (її форма, енергія, розмір тощо) залежать від електронної конфігурації, яку має кожен атом.

Тобто характеристики кожної орбіталі залежать від розташування електронів у кожній «оболонці» або рівні: від найближчого до ядра до самого зовнішнього, також відомого як валентна оболонка.

Електрони на самому зовнішньому рівні є єдиними доступними для утворення зв’язку. Тому, коли між двома атомами утворюється хімічний зв’язок, утворюється перекриття або суперпозиція двох орбіталей (по одній від кожного атома), і це тісно пов'язане з геометрією молекул.

Як було сказано раніше, кожна орбіталь може бути заповнена максимум двома електронами, але слід дотримуватися принципу Ауфбау, за допомогою якого орбітали заповнюються відповідно до їх енергетичного рівня (від найменшого до найбільшого), як показано показано нижче:

Таким чином спочатку заповнюється рівень 1 s, потім 2 s, далі 2 p і так далі, залежно від того, скільки електронів має атом чи іон.

Таким чином, гібридизація - це явище, відповідне молекулам, оскільки кожен атом може сприяти лише чистим атомним орбіталям (s, p, d, f) і, завдяки комбінації двох або більше атомних орбіталей, однакова кількість гібридні орбіталі, які дозволяють зв’язувати елементи.

Основні типи

Атомні орбіталі мають різну форму і просторову орієнтацію, збільшуючись по складності, як показано нижче:

Спостерігається, що існує лише один тип орбіталі s (сферична форма), три типи p орбіталі (доляна форма, де кожна частка орієнтована на просторову вісь), п'ять типів d орбіталі та сім типів f орбіталі, де кожен тип орбіталь володіє точно такою ж енергією, що і енергетика такого роду.

Атом вуглецю в своєму основному стані має шість електронів, конфігурація яких 1 s ² 2 s ² 2 p ^2. Тобто вони повинні займати рівень 1 s (два електрона), 2 s (два електрона) і частково 2p (два електрони, що залишилися) згідно принципу Ауфбау.

Це означає, що в атомі вуглецю в орбіталі 2 р є лише два непарних електрона, але, таким чином, неможливо пояснити утворення або геометрію молекули метану (СН ₄ ) або інших більш складних.

Отже, для формування цих зв’язків потрібна гібридизація s і p орбіталей (у випадку вуглецю), для створення нових гібридних орбіталей, що пояснюють навіть подвійні та потрійні зв’язки, де електрони набувають найбільш стійкої конфігурації для утворення молекул. .

Sp гібридизація

Гібридизація sp ³ складається з утворення чотирьох “гібридних” орбіталей із чистих орбіталей 2s, 2p _x , 2p _y та 2p _z .

Таким чином, відбувається перебудова електронів на рівні 2, де є чотири електрони, доступні для утворення чотирьох зв’язків, і вони розташовані паралельно, щоб мати менше енергії (більша стабільність).

Прикладом може слугувати молекула етилену (C ₂ H ₄ ), зв’язки якої утворюють між атомами кути 120 ° і надають їй площинну трикутну геометрію.

У цьому випадку породжуються одиничні зв’язки CH та CC (за рахунок орбіталей sp ² ) і подвійний зв'язок CC (завдяки p орбіталі) для формування найбільш стійкої молекули.

Sp гібридизація

Через гібридизацію sp ² з чистих орбіталей 2с генеруються три "гібридні" орбіталі та три чисті 2p орбіталі. Крім того, виходить чиста р-орбіталь, яка бере участь у формуванні подвійного зв’язку (називається pi: "π").

Прикладом може слугувати молекула етилену (C ₂ H ₄ ), зв’язки якої утворюють між атомами кути 120 ° і надають їй площинну трикутну геометрію. У цьому випадку породжуються одиничні зв’язки CH та CC (за рахунок орбіталей sp ² ) та подвійний зв'язок CC (завдяки p орбіталі) для формування найбільш стійкої молекули.