Въглеродна хибридизация: от какво се състои, видове и характеристики
Хибридизацията на въглерода включва комбинацията от две чисти атомни орбитали, за да се образува нова "хибридна" молекулна орбитала със своите собствени характеристики. Понятието за атомна орбита дава по-добро обяснение от предходната концепция на орбита, за да се установи приближение на това къде има по-голяма вероятност да се намери електрон вътре в атома.
Казано по друг начин, атомната орбитала е представянето на квантовата механика, за да даде представа за позицията на електрон или двойка електрони в определена област в атома, където всяка орбита е определена според стойностите на нейните числа квантова.
Квантовите числа описват състоянието на системата (като тази на електрона вътре в атома) в определен момент, посредством енергията, принадлежаща на електрона (n), ъгловия импулс, който тя описва в движението си (l), магнитния момент, свързан с (m) и спина на електрона, докато се движат вътре в атома (ите).
Тези параметри са уникални за всеки електрон в орбита, така че два електрона не могат да имат точно същите стойности на четирите квантови числа и всяка орбитала може да бъде заета от най-много два електрона.
Какво представлява хибридизацията на въглерода?
За да се опише хибридизацията на въглерода, трябва да се има предвид, че характеристиките на всяка орбита (неговата форма, енергия, размер и т.н.) зависят от електронната конфигурация на всеки атом.
Това означава, че характеристиките на всяка орбитал зависят от подреждането на електроните във всеки "слой" или ниво: от най-близкото до ядрото до най-външния, известен също като валентната обвивка.
Електроните от най-външното ниво са единствените, които могат да образуват връзка. Следователно, когато се образува химическа връзка между два атома, се образува припокриване или припокриване на две орбитали (една от всеки атом) и това е тясно свързано с геометрията на молекулите.
Както е посочено по-горе, всяка орбитала може да бъде запълнена с максимум два електрона, но трябва да се следва принципа на Aufbau, с който орбиталите се запълват според енергийното им ниво (от най-ниското до най-високото), като показва по-долу:
По този начин първо се запълва нивото 1 s, след това 2 s, последвано от 2 p и така нататък, в зависимост от това колко електрона има атомът или йонът.
По този начин, хибридизацията е феномен, съответстващ на молекули, тъй като всеки атом може да осигури само чисти атомни орбитали ( s, p, d, f ) и, поради комбинацията от две или повече атомни орбитали, същото количество от хибридни орбитали, които позволяват връзки между елементите.
Основни типове
Атомните орбитали имат различни форми и пространствени ориентации, увеличаващи се по сложност, както е показано по-долу:
Наблюдава се, че има само един тип орбитални s (сферична форма), три вида p орбитала (лобуларна форма, където всеки лоб е ориентиран към пространствена ос), пет вида d орбитални и седем вида орбитали, при които всеки тип Orbital има точно същата енергия като своя клас.
Въглеродният атом в своето основно състояние има шест електрона, чиято конфигурация е 1 s 22 s 22 p 2. Това означава, че те трябва да заемат нивото 1 s (два електрона), 2 s (два електрона) и частично 2p (електроните). два останали електрона) съгласно принципа на Aufbau.
Това означава, че въглеродният атом има само два несвързани електрона в 2 р орбитала, но по този начин не е възможно да се обясни образуването или геометрията на метановата молекула (СН4) или други по-сложни.
За да се образуват тези връзки, е необходимо хибридизацията на s и p орбиталите (в случая на въглерода), за да се генерират нови хибридни орбитали, които обясняват дори двойните и тройните връзки, където електроните придобиват най-стабилната конфигурация за образуването на молекулите.
Хибридизация sp3
Sp3 хибридизацията се състои в образуването на четири "хибридни" орбитали от чистите 2s, 2p x, 2p и и 2p z орбитали.
По този начин имаме пренареждане на електроните в ниво 2, където има четири електрона за образуване на четири връзки и те са подредени паралелно, за да имат по-малко енергия (по-голяма стабилност).
Пример за това е молекулата на етилена (C 2 H 4 ), чиито връзки образуват ъгли от 120 ° между атомите и осигуряват плоска тригонална геометрия.
В този случай се генерират прости СН и СС връзки (дължащи се на sp 2 орбиталите) и двойна CC връзка (дължаща се на р- орбиталата), за да се образува най-стабилната молекула.
Хибридизация sp2
Чрез sp2 хибридизацията се генерират три "хибридни" орбитали от чистите 2s орбитали и три чисти 2p орбитали. Освен това се получава чиста р орбитала, която участва в образуването на двойна връзка (наречена pi: "π").
Пример за това е молекулата на етилена (C 2 H 4 ), чиито връзки образуват ъгли от 120 ° между атомите и осигуряват плоска тригонална геометрия. В този случай се генерират прости СН и СС връзки (дължащи се на sp2 орбиталите) и двойна CC връзка (дължаща се на р-орбиталата), за да се образува най-стабилната молекула.
Чрез sp хибридизацията се установяват две "хибридни" орбитали от чистите 2s орбитали и три чисти 2p орбитали. По този начин се образуват две чисти р-орбитали, които участват в образуването на тройна връзка.
За този тип хибридизация ацетиленовата молекула (C2H2) е представена като пример, чиито връзки образуват 180 ° ъгли между атомите и осигуряват линейна геометрия.
За тази структура има прости CH и CC връзки (дължащи се на sp орбиталите) и тройна CC връзка (т.е. две pi връзки, дължащи се на p орбиталите), за да се получи конфигурацията с най-малко електронно отблъскване.
