Kemiallinen hybridisaatio

Mikä on kemiallinen hybridisaatio?

Se Kemiallinen hybridisaatio Se on atomiorbitaalien "seos", jonka konseptin kemisti Linus Pauling esitteli vuonna 1931 kattaakseen Valencian linkkiteorian puutteet (TEV). Mitkä puutteet? Nämä ovat: molekyyligeometriat ja vastaavat yhteydet molekyyleissä, kuten metaanissa (CH₄-A.

TEV: n mukaan metaanissa C: n atomiorbitaalit muodostavat neljän σ -yhteyden neljään H -atomiin. Orbitaalit 2p, C: n (alempi kuva) muodot (alempi kuva) ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden, joten H tulisi poistaa toisistaan ​​90º: n kulmassa.

Lisäksi 2: n (pallomainen) kiertoradan. Kokeellisesti on kuitenkin havaittu, että CH: n kulmat₄ Ne ovat 109,5º ja että C-H-linkkien pituudet ovat ekvivalentteja.

Tämän selittämiseksi alkuperäisten atomiorbitaalien yhdistelmän on katsottava muodostavan neljä rappeutunutta hybridi -kiertorataa (yhtä energiaa). Tässä kemiallinen hybridisaatio tulee peliin. Kuinka hybridi -kiertoradat ovat? Se riippuu niiden tuottavista atomisiorbitaaleista. Niillä on myös sekoitus näiden elektronisia ominaisuuksia.

SP³

CH: n tapauksessa₄, C -hybridisaatio on SP³. Tästä lähestymistavasta molekyyligeometria selitetään neljällä SP -kiertoradalla³ Erotettuna 109,5º: ssa ja osoittaen kohti tetraedron huippuja.

Yläkuvassa näet kuinka orbitaalit sp³ (vihreä) Luo tetraedrinen elektroninen ympäristö atomin ympärille (A, joka on C CH: lle₄-A.

Miksi 109,5º eikä muilla kulmilla, "piirtää" erilainen geometria? Syynä johtuu siitä, että tämä kulma minimoi niiden neljän atomin elektroniset torjut.

Tällä tavalla Cho: n molekyyli₄ Sitä voidaan edustaa tetraedrina (tetraedrinen molekyyligeometria).

Jos H: n sijasta C muodosti yhteydet muihin atomien ryhmiin, mikä sen hybridisaatio olisi sitten? Edellyttäen, että hiilimuoto neljä linkkiä σ (c-a), sen hybridisaatio on SP³.

Voidaan johdonmukaisesti olettaa, että muissa orgaanisissa yhdisteissä, kuten ch₃Voi, ccl₄, C (CH₃-A₄, C₆H₁₂ (syklohexan) jne., Hiilellä on SP -hybridisaatio³.

Tämä on välttämätöntä orgaanisten rakenteiden luonnostelemiseksi, joissa hiilet, joissa on yksinkertaiset linkit, edustavat divergenssipisteitä; toisin sanoen rakenne ei pysy yhdessä tasossa.

Tulkinta

Mikä on yksinkertaisin tulkinta näille hybridi -orbitaaleille käsittelemättä matemaattisia näkökohtia (aaltotoiminnot)? Orbitaalit sp³ He viittaavat siihen, että ne olivat peräisin neljällä kiertoradalla: yksi s ja kolme p.

Koska näiden atomiorbitaalien yhdistelmä on tarkoitus olla ihanteellinen, neljän SP -kiertoradan³ Tuloksena olevat ovat identtisiä ja vievät erilaisia ​​avaruuksien suuntauksia (kuten orbitaaleissa p_x, p_ja Ja p_{z -z}-A.

Edellä olevaa voidaan soveltaa muihin mahdollisiin hybridaatioihin: muodostettujen hybridi -kiertoratojen lukumäärä on sama kuin yhdistävien atomien kiertoratojen lukumäärä. Esimerkiksi sp híbridos Orbital³d -d² Ne on muodostettu kuudesta atomiorbitaalista: yksi s, kolme p ja kaksi d.

Poikkeamat linkkikulmista

Valencia -kerroksen elektronisten parien torjuntateorian (RPECV) mukaan pari vapaata elektronia on enemmän kuin kytketty atomi. Tämä aiheuttaa linkit liikkumaan pois, vähentämällä elektronista jännitystä ja ohjaamalla 109,5º: n kulmat:

Esimerkiksi vesimolekyylissä H: n atomit on kytketty Orbitals SP: hen³ (vihreänä), ja myös elektronien parit, joita ei jaettu ":" vie nämä kiertoradat.

Näiden elektroniparien torjunnot esitetään yleensä "kahdella ilmapallolla, joissa on silmät", jotka niiden tilavuuden vuoksi torjuvat kaksi linkkiä σ O-H.

Siten vedessä linkkien kulmat ovat todella 105º, tetraedrisen geometrian odotettavissa olevien 109,5º: n sijasta.

Mitä geometriaa h: lla on₂JOMPIKUMPI? On kulmageometria. Koska? Koska elektroninen geometria on tetraedrinen, kaksi paria ei jaettuja elektroneja vääristävät sen kulma -molekyylin geometriaksi.

SP²

Kun atomi yhdistää kaksi tai S -kiertorataa, se tuottaa kolme hybridi -orbitaalia SP: tä²; Orbitaali P (koska niitä on kolme) pysyy kuitenkin muuttumattomana, mikä on edustettuna oranssina palkina ylemmässä kuvassa.

Täällä kolme kiertorataa sp² Ne ovat vihreitä korostaakseen eroa oranssista palkista: kiertoradan p "puhdas".

Atomi SP -hybridisaatiolla² Se voidaan visualisoida trigonaaliseksi litteäksi lattiaksi (SP -orbitaalien kanssa piirretty kolmio² vihreä), kun sen kärkipisteet on erotettu 120º kulmalla ja kohtisuorassa palkkiin asti.

Ja mikä rooli kiertoradan puhdasta pelaaminen on? Kaksoissidoksen muodostaminen (=). Orbitaalit sp² Ne sallivat kolmen linkin σ muodostumisen, kun taas kiertoradan puhdas P -sidos π (kaksois- tai kolminkertainen linkki sisältää yhden tai kaksi linkkiä π).

Esimerkiksi karbonyyliryhmän ja formaldehydimolekyylin rakenteen piirtäminen (H₂C = o), se jatkuu seuraavasti:

Orbitaalit sp² Sekä C että O muodostavat linkin σ, kun taas sen puhtaat orbitaalit muodostavat π -sidoksen (oranssi suorakulmio).

Voidaan huomata, kuinka muut elektroniset ryhmät (H -atomit ja ei jaetujen elektronien parit) sijaitsevat muissa SP -orbitaaleissa², erotettu 120º: lla.

SP

Ylemmässä kuvassa atomi havainnollistetaan SP -hybridisaatiolla. Tässä kiertorata s ja kiertorata p. Kaksi puhdasta kiertoradan kiertorataa on kuitenkin nyt muuttumaton, mikä antaa niiden muodostamaan kaksi kaksoislinkkiä tai kolminkertaisen linkin (≡).

Toisin sanoen: Jos rakenteessa A C on yllä olevaa (= c = o c irti), sen hybridisaatio on SP. Muille vähemmän havainnollisille atomeille - kuten siirtymämetalleille - elektronisten ja molekyyligeometrioiden kuvaus on monimutkainen, koska myös orbitaalit d ja jopa F otetaan huomioon.

Hybridi -orbitaalit erotetaan kulmassa 180º. Tästä syystä kytketyt atomit on järjestetty lineaariseen molekyyligeometriaan (B-A-B). Lopuksi, alemmassa kuvassa syanidianionirakenne voidaan nähdä: