Химична хибридизация: sp, sp2, sp3

Химичната хибридизация е "сместа" на атомните орбитали, чиято концепция е въведена от химика Линус Паулинг през 1931 г., за да покрие несъвършенствата на Теорията за връзката на Валенсия (TEV). Какви несъвършенства? Това са: молекулярните геометрии и еквивалентните дължини на връзката в молекули като метан (СН4).

Според TEV, в метана атомните орбитали на C образуват четири σ връзки с четири H атома, а 2p орбиталите с форми на формата (дъното) на C са перпендикулярни един на друг, така че Hs трябва да бъдат отделени. на други под ъгъл от 90 °.

Освен това, 2s (сферичната) орбитала на C е свързана с орбитата 1s на Н под ъгъл от 135º по отношение на другите три H. Въпреки това, експериментално е установено, че ъглите в CH 4 са 109.5º и В допълнение, дължините на C-H връзките са еквивалентни.

За да се обясни това, трябва да се разглежда комбинация от първоначалните атомни орбитали, за да се образуват четири дегенериращи хибридни орбитали (с еднаква енергия). Тук идва химическа химия. Какви са хибридните орбитали? Това зависи от атомните орбитали, които ги генерират. По същия начин те показват смес от електронните им характеристики.

Хибридизация sp3

За случая на СН4, хибридизацията на С е sp3. От този подход молекулярната геометрия се обяснява с четири sp3 орбитали, разделени на 109.5º и насочени към върховете на тетраедър.

В изображението по-горе можете да видите как sp3 орбиталите (зелени) създават тетраедрална електронна среда около атома (А, която е С за СН4).

Защо 109.5º, а не други ъгли, за да "нарисуваме" различна геометрия? Причината е, че този ъгъл минимизира електронните отблъсквания на четирите атома, които се свързват с А.

По този начин молекулата СН4 може да бъде представена като тетраедър (тетраедрична молекулна геометрия).

Ако вместо H, C се образуват връзки с други групи атоми, каква би била хибридизацията му? Докато въглеродът образува четири връзки σ (C-A), неговата хибридизация ще бъде sp3.

Може последователно да се приеме, че в други органични съединения, такива като СНЗОН, СС14, С (СНз) 4, С6Н12 (циклохексан) и т.н., въглеродът има sp3 хибридизация.

Това е от основно значение за скициране на органични структури, където въглеродите с прости връзки представляват точки на дивергенция; структурата не остава в една равнина.

интерпретация

Каква е най-простата интерпретация за тези хибридни орбитали, без да се разглеждат математическите аспекти (вълновите функции)? Sp3 орбиталите предполагат, че те са произлезли от четири орбитали: един s и три p.

Тъй като се предполага, че комбинацията от тези атомни орбитали е идеална, четирите sp3 резултатни орбитали са идентични и заемат различни ориентации в пространството (като например в орбиталите p x, p и yp z ).

Горното е приложимо за останалите възможни хибридизации: броят на образуваните хибридни орбитали е същият като този на комбинираните атомни орбитали. Например, sp3d2 хибридните орбитали се формират от шест атомни орбитали: един s, три p и два d.

Отклонения на ъглите на връзките

Според теорията за отблъскване на електронните двойки на слоя Валенсия (VSEPR), чифт свободни електрони заемат повече обем от свързан атом. Това води до разместване на връзките, намаляване на електронното напрежение и отклоняване на ъглите от 109.5º:

Например, във водната молекула атомите Н са свързани с sp3 орбиталите (в зелено), а също и неразпределените двойки електрони ":" заемат тези орбитали.

Отблъскванията на тези електронни двойки обикновено са представени като "две глобуси с очи", които поради техния обем отблъскват двете връзки σ O-H.

По този начин, във водата ъглите на връзките са наистина 105º, вместо 109.5º, очаквани за тетраедричната геометрия.

Тогава каква геометрия има H 2 O? Тя има ъглова геометрия. Защо? Защото макар електронната геометрия да е четиригранна, два чифта не споделяни електрона я изопачават до ъгловата молекулярна геометрия.

Хибридизация sp2

Когато един атом комбинира две орбитали и един s, той генерира три sp2 хибридни орбитали; но орбиталната р остава непроменена (тъй като те са три), която е представена като оранжева лента на изображението по-горе.

Тук трите sp2 орбитали са зелени, за да подчертаят разликата им от оранжевата лента: "чистата" орбитала.

Атом с sp2 хибридизация може да бъде визуализиран като плосък тригонален под (триъгълникът, изготвен със зелени sp2 орбитали), с върхове разделени от ъгли от 120º и перпендикулярни на лента.

И каква роля играе чистата орбитална игра? Това на образуване на двойна връзка (=). Sp2-орбиталите позволяват образуването на три σ-връзки, докато чистата p-орбитала има π-връзка (двойна или тройна връзка предполага една или две π-връзки).

Например, за да начертаем карбонилната група и структурата на формалдехидната молекула (Н2С = О), следваме както следва:

Sp2 орбиталите на C и O образуват σ връзка, докато чистите им орбитали образуват π връзка (оранжевия правоъгълник).

Може да се види как останалите електронни групи (атоми Н и не споделяни електронни двойки) са разположени в другите sp2 орбитали, разделени с 120 °.

Hybridization sp

Горното изображение показва атом А с sp хибридизация. Тук една орбитална група и орбитална група се комбинират, за да образуват две дегенеративни sp орбитали. Сега обаче две чисти р-орбитали остават непроменени, което позволява на А да образува две двойни връзки или тройна връзка (≡).

С други думи: ако в структура a C отговаря на горното (= C = или C≡C), тогава неговата хибридизация е sp. За други по-малко илюстративни атоми - като преходните метали - описанието на електронните и молекулярните геометрии е сложно, тъй като орбиталите d и f също се разглеждат.

Хибридните орбитали са разделени с ъгъл от 180º. Поради тази причина свързаните атоми са подредени в линейна молекулярна геометрия (BAB). Накрая, на изображението по-долу можете да видите структурата на цианидния анион: