Хімічної гібридизація є «суміш» з атомних орбіталей, чиє поняття було введено хімік Лайнус Полінг в 1931 році , щоб покрити недосконалості теорії валентного зв'язку (TEV). Які недосконалості? Це: молекулярні геометрії та еквівалентні довжини зв’язків у молекулах, як метан (CH 4 ).
Згідно з TEV, на метані атомні орбіталі С утворюють чотири σ зв’язки з чотирма атомами Н. 2-орбіталі з формами форм (зображення внизу) C перпендикулярні один одному, тому H повинно бути декілька від інших під кутом 90 °.
Крім того, 2s (сферична) орбітала C прив'язується до орбіталі 1s H під кутом 135º по відношенню до інших трьох H. Однак експериментально було встановлено, що кути в CH 4 становлять 109,5º і що Крім того, довжини зв'язків С - Н еквівалентні.
Для пояснення цього слід вважати комбінацію вихідних атомних орбіталей, що утворює чотири вироджені гібридні орбіталі (однакової енергії). Тут грає хімічна гібридизація. Що таке гібридні орбіталі? Це залежить від атомних орбіталей, які їх породжують. Також вони демонструють суміш своїх електронних характеристик.
Sp гібридизація
Для випадку CH 4 гібридизація C дорівнює sp 3 . З цього підходу молекулярна геометрія пояснюється чотирма орбіталями sp 3, розділеними на 109,5º і спрямовані до вершин тетраедра.
На зображенні, наведеному вище, ви можете бачити, як орбіталі sp 3 (зелені) встановлюють навколо атома тетраедричне електронне середовище (A, що є C для CH 4 ).
Чому 109,5º, а не інші кути, щоб "намалювати" іншу геометрію? Причина полягає в тому, що цей кут мінімізує електронні відштовхування чотирьох атомів, які зв’язуються з A.
Таким чином, молекула CH 4 може бути представлена у вигляді тетраедра (тетраедральна молекулярна геометрія).
Якби замість Н, С утворили зв’язки з іншими групами атомів, якою була б тоді їх гібридизація? Поки вуглець утворює чотири σ зв’язки (C - A), їх гібридизація буде sp 3 .
Отже, можна припустити, що в інших органічних сполуках, таких як CH 3 OH, CCl 4 , C (CH 3 ) 4 , C 6 H 12 (циклогексан) тощо, вуглець має sp 3 гібридизацією .
Це важливо для нанесення ескізів органічних структур, де одинарні вуглеці представляють точки розбіжності; тобто структура не залишається в єдиній площині.
Інтерпретація
Яка найпростіша інтерпретація цих гібридних орбіталей без звернення до математичних аспектів (хвильових функцій)? З орбіталей sp 3 випливає, що вони були започатковані чотирма орбіталями: одна s та три p.
Оскільки комбінація цих атомних орбіталей вважається ідеальною, отримані чотири орбіталі sp 3 однакові і займають різні орієнтації в просторі (наприклад, на орбіталях p x , p і p z ).
Сказане стосується решти можливих гібридизацій: кількість утворених гібридних орбіталей така ж, як у атомних орбіталей, які поєднуються. Наприклад, sp 3 d 2 гібридні орбіталі утворюються з шести атомних орбіталей: однієї s, трьох p і двох d.
Відхилення кута зв'язку
Згідно з електронною теорією відштовхування Валенсії Шелл Шелл (RPECV), пара вільних електронів займає більший об'єм, ніж пов'язаний атом. Це змушує ланки розсуватися, зменшуючи електронну напругу та відхиляючи кути від 109,5º:
Наприклад, у молекулі води атоми Н приєднані до sp 3 орбіталей (зеленого кольору), а також нерозчленовані пари електронів ":" займають ці орбіталі.
Відштовхування цих пар електронів зазвичай представлені як "два глобуси з очима", які завдяки своєму об'єму відштовхують два σ O - H зв'язку.
Таким чином, у воді кути зв'язку фактично 105º, замість очікуваних для тетраедральної геометрії 109,5º.
Яку геометрію має H 2 O? Він має кутову геометрію. Чому? Оскільки хоча електронна геометрія є чотиригранною, дві пари нерозділених електронів спотворюють її на кутову молекулярну геометрію.
Sp гібридизація
Коли атом поєднує дві p і одну s орбіталі, він генерує три sp 2 гібридні орбіталі ; однак одна орбіталь p залишається незмінною (бо їх три), яка у верхньому зображенні представлена як помаранчева смужка.
Тут усі три орбіталі sp 2 пофарбовані в зелений колір, щоб виділити їх відмінність від помаранчевої смуги: орбіталь "чистого" p.
Атом з гібридизацією sp 2 можна візуалізувати як плоский трикутний підлогу (трикутник, намальований орбіталями sp 2, орбіталями кольорового кольору), вершини яких розділені кутами 120 ° та перпендикулярними до бруска.
І яку роль відіграє чистий р орбітальний? Коефіцієнт утворення подвійної зв'язку (=). Орбіталі sp 2 дозволяють утворити три σ зв’язки, тоді як чистий р-орбітальний один π-зв’язок (подвійний або потрійний зв’язок передбачає одну або дві π зв’язки).
Наприклад, щоб скласти карбонільну групу та структуру молекули формальдегіду (H 2 C = O), поступайте так:
Орбіталі sp 2 як C, так і O утворюють σ-зв’язок, тоді як їхні чисті орбіталі утворюють π-зв’язок (помаранчевий прямокутник).
Видно, як решта електронних груп (атоми Н та пари електронів, які не діляться) розташовані в інших орбіталях sp 2 , розділених на 120º.
Sp гібридизація
На верхньому зображенні зображено атом зі гібридизацією sp. Тут одна орбітальна і одна орбітальна р поєднуються для отримання двох вироджених орбіталей сп. Однак тепер дві чисті p орбіталі залишаються незмінними, що дозволяє A утворювати дві подвійні зв’язки або одну потрійну зв’язок (≡).
Іншими словами: якщо в структурі С відповідає вищевказаному (= C = або C≡C), то його гібридизація є sp. Для інших менш ілюстративних атомів - таких як перехідні метали - опис електронної та молекулярної геометрії є складним, оскільки також розглядаються орбіталі d та f.
Гібридні орбіталі відокремлені під кутом 180º. З цієї причини пов'язані атоми розташовані в лінійній молекулярній геометрії (BAB). Нарешті, на зображенні нижче структури аніона ціаніду видно:
Список літератури
- Свен. (3 червня 2006 р.). Sp-орбіталі. . Отримано 24 травня 2018 року з: commons.wikimedia.org
- Річард К. Бенкс. (Травень 2002 р.) Зв’язування та гібридизація. Отримано 24 травня 2018 року з: chemistry.boisestate.edu
- Джеймс. (2018). Ярлик гібридизації. Отримано 24 травня 2018 року з: masterorganicchemistry.com
- Доктор Іан Хант. Кафедра хімії, Університет Калгарі. sp3 гібридизація. Отримано 24 травня 2018 року з: chem.ucalgary.ca
- Хімічне з'єднання II: Молекулярна геометрія та гібридизація атомних орбіталей Розділ 10. Отримано 24 травня 2018 року з: wou.edu
- Кімітуб. (2015). Ковалентне склеювання: вступ до гібридизації атомної орбіти. Отримано 24 травня 2018 року з: quimitube.com
- Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання., С. 51). Mc Graw Hill.