Химической гибридизация является «смесь» из атомных орбиталей, чье понятие было введено химик Лайнус Полинг в 1931 году , чтобы покрыть несовершенства теории валентной связи (TEV). Какие недостатки? Это: геометрия молекул и эквивалентные длины связей в таких молекулах, как метан (CH 4 ).
Согласно TEV, в метане атомные орбитали C образуют четыре σ-связи с четырьмя атомами H. 2p-орбитали, имеющие форму формы (нижнее изображение) C, перпендикулярны друг другу, поэтому H должно составлять примерно несколько от других под углом 90º.
Кроме того, 2s (сферическая) орбиталь C соединяется с 1s орбиталью H под углом 135º по отношению к другим трем H. Однако экспериментально было обнаружено, что углы в CH 4 равны 109,5º и что Кроме того, длины связей C - H эквивалентны.
Чтобы объяснить это, необходимо рассматривать комбинацию исходных атомных орбиталей, чтобы сформировать четыре вырожденных гибридных орбитали (с равной энергией). Здесь вступает в игру химическая гибридизация. Что такое гибридные орбитали? Это зависит от атомных орбиталей, которые их генерируют. Кроме того, они демонстрируют смесь своих электронных характеристик.
Sp гибридизация
В случае CH 4 гибридизация C имеет sp 3 . С помощью этого подхода геометрия молекулы объясняется четырьмя орбиталями sp 3, разделенными под углом 109,5º и направленными в сторону вершин тетраэдра.
На верхнем изображении можно увидеть, как орбитали sp 3 (зеленые) устанавливают тетраэдрическое электронное окружение вокруг атома (A, что означает C для CH 4 ).
Почему 109,5º, а не другие углы, чтобы «нарисовать» другую геометрию? Причина в том, что этот угол минимизирует электронное отталкивание четырех атомов, которые связываются с A.
Таким образом, молекула CH 4 может быть представлена в виде тетраэдра (тетраэдрическая геометрия молекулы).
Если бы вместо H C образовывал связи с другими группами атомов, какова была бы их гибридизация? Пока углерод образует четыре σ-связи (C - A), их гибридизация будет sp 3 .
Следовательно, можно предположить, что в других органических соединениях, таких как CH 3 OH, CCl 4 , C (CH 3 ) 4 , C 6 H 12 (циклогексан) и т.д., углерод имеет гибридизацию sp 3 .
Это важно для создания эскизов органических структур, где одинарные углеродные связки представляют собой точки расхождения; то есть конструкция не остается в одной плоскости.
интерпретация
Какая самая простая интерпретация этих гибридных орбиталей без учета математических аспектов (волновых функций)? Орбитали sp 3 подразумевают, что они были созданы четырьмя орбиталями: одной s и тремя p.
Поскольку комбинация этих атомных орбиталей считается идеальной, результирующие четыре орбитали sp 3 идентичны и занимают разные ориентации в пространстве (например, в орбиталях p x , p и p z ).
Сказанное выше применимо для остальных возможных гибридизаций: количество гибридных орбиталей, которые образуются, такое же, как и количество атомных орбиталей, которые объединяются. Например, гибридные орбитали sp 3 d 2 образуются из шести атомных орбиталей: одной s, трех p и двух d.
Отклонения угла скрепления
Согласно теории отталкивания электронных пар оболочки Валенсии (RPECV) пара свободных электронов занимает больше объема, чем связанный атом. Это заставляет звенья раздвигаться, уменьшая электронное напряжение и отклоняя углы от 109,5º:
Например, в молекуле воды атомы H связаны с sp 3- орбиталями ( выделены зеленым), а также неподеленные пары электронов «:» занимают эти орбитали.
Отталкивание этих пар электронов обычно представляется в виде «двух глобусов с глазами», которые из-за своего объема отталкивают две связи σ O - H.
Таким образом, в воде валентные углы на самом деле составляют 105 ° вместо 109,5 °, ожидаемых для тетраэдрической геометрии.
Какая же тогда геометрия имеет H 2 O? Имеет угловую геометрию. Зачем? Поскольку, хотя электронная геометрия является тетраэдрической, две пары необщих электронов искажают ее до угловой молекулярной геометрии.
Sp гибридизация
Когда атом объединяет две p-орбитали и одну s-орбитали, он генерирует три гибридные sp 2 -орбитали ; однако одна p-орбиталь остается неизменной (поскольку их три), что показано в виде оранжевой полосы на верхнем изображении.
Здесь все три орбитали sp 2 окрашены в зеленый цвет, чтобы подчеркнуть их отличие от оранжевой полосы: "чистая" p-орбиталь.
Атом с sp 2- гибридизацией можно визуализировать как плоский тригональный пол (треугольник, нарисованный с sp 2- орбиталями, окрашенными в зеленый цвет), с вершинами, разделенными под углом 120º и перпендикулярными полосе.
А какую роль играет чистая p-орбиталь? То, что образует двойную связь (=). Sp 2 -орбитали позволяют образовывать три σ-связи, в то время как чистая p-орбиталь - одна π-связь (двойная или тройная связь включает одну или две π-связи).
Например, чтобы нарисовать карбонильную группу и структуру молекулы формальдегида (H 2 C = O), действуйте следующим образом:
Sp 2 -орбитали как C, так и O образуют σ-связь, в то время как их чистые орбитали образуют π-связь (оранжевый прямоугольник).
Можно увидеть, как остальные электронные группы (атомы H и не общие пары электронов) расположены на других sp 2 орбиталях , разделенных на 120º.
Sp гибридизация
На верхнем изображении показан атом A с sp-гибридизацией. Здесь одна s-орбиталь и одна p-орбиталь объединяются, чтобы сформировать две вырожденные sp-орбитали. Однако теперь две чистые p-орбитали остаются неизменными, что позволяет A образовывать две двойные связи или одну тройную связь (≡).
Другими словами: если в структуре C соответствует вышеуказанному (= C = или C≡C), то его гибридизация является sp. Для других, менее показательных атомов - таких как переходные металлы - описание электронной и молекулярной геометрии усложняется, поскольку также рассматриваются d- и сквозные f-орбитали.
Гибридные орбитали разделены под углом 180º. По этой причине связанные атомы расположены в линейной молекулярной геометрии (BAB). Наконец, на изображении ниже можно увидеть структуру цианид-аниона:
Ссылки
- Sven. (3 июня 2006 г.). Sp-орбитали. , Получено 24 мая 2018 г. с: commons.wikimedia.org.
- Ричард С. Бэнкс. (Май 2002 г.). Связь и гибридизация. Получено 24 мая 2018 г. с: chemistry.boisestate.edu.
- Джеймс. (2018). Ярлык гибридизации. Получено 24 мая 2018 г. с: masterorganicchemistry.com
- Доктор Ян Хант. Кафедра химии Университета Калгари. sp3-гибридизация. Получено 24 мая 2018 г. с: chem.ucalgary.ca
- Химическая связь II: молекулярная геометрия и гибридизация атомных орбиталей Глава 10 .. Получено 24 мая 2018 г. с: wou.edu
- Quimitube. (2015). Ковалентная связь: Введение в гибридизацию атомных орбиталей. Получено 24 мая 2018 г. с: quimitube.com.
- Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Издание четвертое. С. 51). Мак Гроу Хилл.