Hybrydyzacja chemiczna

Co to jest hybrydyzacja chemiczna?

Hybrydyzacja chemiczna Jest to „mieszanka” orbitali atomowych, której koncepcja została wprowadzona przez chemika Linusa Paulinga w 1931 r. W celu pokrycia niedoskonałości teorii linków Walencji (TEV). Które niedoskonałości? Są to: geometria molekularna i równoważne powiązania w cząsteczkach, takich jak metan (CH₄).

Według TEV, w metanie orbitale atomowe C tworzą cztery powiązania σ z czterema atomami H. Orbitale 2p, z formami ∞ (niższy obraz) C są do siebie prostopadłe, więc H należy usunąć ze siebie pod kątem 90º.

Dodatkowo 2s (sferyczny) orbital. Jednak eksperymentalnie stwierdzono, że kąty w CH₄ Wynoszą 109,5º, a ponadto długości linków C-H są równoważne.

Aby to wyjaśnić, należy uznać kombinację oryginalnych orbitali atomowych, tworząc cztery zdegenerowane orbitale hybrydowe (o równej energii). Tutaj wchodzi hybrydyzacja chemiczna. Jak tam hybrydowe orbitale? To zależy od orbitali atomowych, które je generują. Wykazują również mieszankę ich charakterystyk elektronicznych.

Sp³

W przypadku CH₄, C hybrydyzacja to sps³. Z tego podejścia geometria molekularna wyjaśniono czterema orbitalami SP³ oddzielone na 109,5º i skierowane w stronę wierzchołków czworościanu.

Na górnym obrazie możesz zobaczyć, w jaki sposób orbitale sp³ (Zielony) Ustanowienie czworościennego środowiska elektronicznego wokół atomu (A, które jest C dla CH₄).

Dlaczego 109,5º, a nie inne kąty, aby „narysować” inną geometrię? Przyczyną jest fakt, że kąt ten minimalizuje elektroniczne odpychanie czterech atomów, które są powiązane.

W ten sposób cząsteczka Cho₄ Może być reprezentowany jako czworościan (czworościenna geometria molekularna).

Gdyby zamiast H, C utworzył powiązania z innymi grupami atomów, to, co by to byłoby hybrydyzacja? Pod warunkiem, że węgiel tworzy cztery łącza σ (C-A), jego hybrydyzacja będzie sprzenana³.

Można konsekwentnie zakładać, że w innych związkach organicznych, takich jak CH₃Och, CCl₄, C (rozdz₃)₄, C₆H₁₂ (cykloheksan) itp., Węgiel ma hybrydyzację SP³.

Jest to niezbędne do szkicowania struktur organicznych, w których węgle z prostymi linkami reprezentują punkty rozbieżności; Oznacza to, że struktura nie pozostaje w jednej płaszczyźnie.

Interpretacja

Jaka jest najprostsza interpretacja tych hybrydowych orbitali bez rozwiązania aspektów matematycznych (funkcje fali)? Orbitale sp³ Sugerują, że powstały cztery orbitale: jeden s i trzy p.

Ponieważ połączenie tych orbitali atomowych ma być idealne, cztery orbitale SP³ wynikowe są identyczne i zajmują różne orientacje w przestrzeni (na przykład w orbitalach p_X, P_I I p_z).

Powyższe ma zastosowanie do reszty możliwych hybrydyzacji: liczba utworzonych orbitali hybrydowych jest taka sama jak w łączeniu orbitali atomowych. Na przykład SP Híbridos Orbital³D² Powstają z sześciu orbitali atomowych: jeden s, trzy p i dwa.

Odchylenia od kątów łącza

Zgodnie z teorią odpychania par elektronicznych warstwy Valencia (RPECV) para wolnych elektronów zajmuje większą objętość niż połączony atom. Powoduje to odejście linków, zmniejszając napięcie elektroniczne i rozkładając kąty 109,5º:

Na przykład w cząsteczce wody atomy H są powiązane z orbitaliami sp³ (w kolorze zielonym), a także pary elektronów, które nie są udostępnione ”:„ Zajmij te orbitale.

Odpulsje tych par elektronów są zwykle reprezentowane jako „dwa balony o oczach”, które ze względu na ich objętość odpychają dwa łącza σ O-H.

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

Jaka geometria ma wtedy H₂ALBO? Ma geometrię kątową. Ponieważ? Ponieważ podczas gdy geometria elektroniczna jest czworościenna, dwie pary nie udostępnionych elektronów zniekształcają ją do geometrii molekularnej kątowej.

Sp²

Gdy atom łączy dwa lub s orbitale, generuje trzy hybrydowe orbitale SP²; Jednak orbital P (ponieważ są trzy) pozostaje niezmieniony, który jest reprezentowany jako pomarańczowy pręt na górnym obrazie.

Tutaj trzy orbitale sp SP² Są zielone, aby podkreślić swoją różnicę w stosunku do pomarańczowego paska: Orbital P „czysty”.

Atom z hybrydyzacją SP² Można go wizualizować jako trygonalną płaską podłogę (trójkąt narysowany z orbitali SP² zielony), z wierzchołkami oddzielonymi kątami 120º i prostopadłymi do baru.

I jaką rolę odtwarza Orbital Pure Pure? Aby utworzyć podwójne wiązanie (=). Orbitale sp² Umożliwiają tworzenie trzech linków σ, podczas gdy orbitalne czyste wiązanie p π (podwójne lub potrójne łącze obejmuje jedno lub dwa łącza π).

Na przykład, aby narysować grupę karbonylową i strukturę cząsteczki formaldehydu (H (H₂C = o), kontynuuje następująco:

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

Można zauważyć, w jaki sposób reszta grup elektronicznych (atomy H i pary nie wspólnych elektronów) znajdują się w innych orbitalach SP², oddzielone 120º.

Sp

Na obrazie wyższym atomem ilustruje hybrydyzacja SP. Tutaj, orbital i orbital p. Jednak teraz nie zmieniono dwóch czystych orbitalnych orbitali, które pozwalają im utworzyć dwa podwójne łącza lub potrójne łącze (≡).

Innymi słowy: jeśli w strukturze A C jest zgodne z powyższym (= C = O C≡C), wówczas jego hybrydyzacja jest sp. W przypadku innych mniej ilustracyjnych atomów - takich jak metale przejściowe - opis geometrii elektronicznych i molekularnych jest skomplikowany, ponieważ orbitale d, a nawet F są również rozważane.

Hybrydowe orbitale są oddzielone pod kątem 180º. Z tego powodu połączone atomy są ułożone w liniowej geometrii molekularnej (B-A-B). Wreszcie, na dolnym obrazie widać strukturę anionów cyjanku: