Kjemisk hybridisering: sp, sp2, sp3
Den kjemiske hybridiseringen er "blandingen" av atomorbitaler, hvis konsept ble introdusert av kjemikeren Linus Pauling i 1931 for å dekke feilene i teorien til Valencia-lenken (TEV). Hvilke ufullkommenheter? Disse er: molekylære geometrier og ekvivalente lenke lengder i molekyler som metan (CH4).
Ifølge TEV, i metan, danner de atomiske orbitaler av C fire σ-bindinger med fire H-atomer. De 2p-orbitaler med formasformer (bunnbilder) av C er vinkelrett på hverandre, så Hs skal settes fra hverandre av andre i en 90º vinkel.
I tillegg er 2s (sfærisk) omkrets av C knyttet til 1s orbital av H i en vinkel på 135º i forhold til de andre tre H. Imidlertid har det eksperimentelt blitt funnet at vinklene i CH4 er 109, 5º og at I tillegg er lengdene av C-H-koblingene ekvivalente.
For å forklare dette, må en kombinasjon av de originale atomorbitaler anses å danne fire degenererte hybridorbitaler (med lik energi). Her kommer kjemisk kjemi. Hva er hybrid orbitaler som? Det avhenger av atomorbitaler som genererer dem. På samme måte utviser de en blanding av de elektroniske egenskapene til disse.
Hybridisering sp3
For tilfellet med CH4 er hybridiseringen av C sp3. Fra denne tilnærmingen er molekylær geometri forklart med fire sp3-orbitaler skilt ved 109, 5º og peker mot en tetraederens tverrsnitt.
I bildet ovenfor kan du se hvordan sp3-orbitalerne (grønne) etablerer et tetraederalt elektronisk miljø rundt atomen (A, som er C for CH 4 ).
Hvorfor 109.5º og ikke andre vinkler, for å "tegne" en annen geometri? Årsaken er at denne vinkelen minimerer de elektroniske repulsjonene av de fire atomer som binder til A.
På denne måten kan CH 4 molekylet representeres som en tetraeder (tetrahedral molekylær geometri).
Hvis i stedet for H, C dannet koblinger med andre atomergrupper, hva ville da være hybridiseringen av den? Så lenge kullet danner fire bindinger σ (C-A), vil hybridiseringen være sp3.
Det kan konsekvent antas at i andre organiske forbindelser som CH3OH, CCl4, C (CH3) 4, C6H12 (cykloheksan) etc. har karbon en sp3-hybridisering.
Dette er grunnleggende for å skisse organiske strukturer, hvor karboner med enkle bindinger representerer punkter av divergens; det vil si at strukturen ikke forblir i et enkelt plan.
tolkning
Hva er den enkleste tolkningen for disse hybridbitbitene uten å adressere de matematiske aspektene (bølgefunksjonene)? Sp3-orbitalene innebærer at de stammer fra fire orbitaler: en s og tre s.
Fordi kombinasjonen av disse atomorbitalene skal være ideell, er de fire sp3 resulterende orbitaler identiske og opptar forskjellige retninger i rommet (som i p x, p og yp z orbitaler).
Ovennevnte gjelder for resten av mulige hybridiseringer: Antall hybridorbitaler som dannes er det samme som for de kombinerte atomorbitaler. For eksempel er sp3d2 hybrid-orbitaler dannet fra seks atomorbitaler: en s, tre p og to d.
Avvik av vinkler av koblinger
Ifølge teorien om avvisning av de elektroniske parene i Valencia-laget (VSEPR), opptar et par frie elektroner mer volum enn et koblet atom. Dette får koblingene til å bevege seg fra hverandre, redusere den elektroniske spenningen og avlede 109.5º-vinklene:
For eksempel, i vannmolekylet er H-atomer knyttet til sp3-orbitalerne (i grønt), og også de ikke-delte elektronene ":" opptar disse orbitaler.
Repulsjonene av disse elektronparene er vanligvis representert som "to glober med øyne", som, på grunn av deres volum, avviser de to bindingene σ O-H.
Dermed er i vannet koblingsvinklene virkelig 105º, i stedet for de 109, 5º som forventes for tetrahedral geometri.
Hvilken geometri har H 2 O da? Den har en vinkel geometri. Hvorfor? Fordi selv om den elektroniske geometrien er tetraedral, forvrenger to par ikke-delte elektroner den til en vinkelmolekylær geometri.
Hybridisering sp2
Når et atom kombinerer to orbitaler og en s, genererer det tre sp2 hybrid-orbitaler; Imidlertid forblir en orbital p uendret (fordi de er tre), som er representert som en oransje bar i bildet ovenfor.
Her er de tre sp2-orbitalene grønne for å markere forskjellen fra oransje linjen: den "rene" p-orbitalen.
Et atom med sp2-hybridisering kan visualiseres som en flat trigonalgulv (trekanten tegnet med grønne sp2-orbitaler), med sine krysser skilt av vinkler på 120º og vinkelrett på en stolpe.
Og hvilken rolle spiller den rene p-orbitalen? Det å danne et dobbeltbinding (=). Sp2-orbitalene tillater dannelse av tre σ-bindinger, mens den rene p-orbitalen har en π-binding (en dobbelt- eller trippelbinding innebærer en eller to π-bindinger).
For eksempel, for å tegne karbonylgruppen og strukturen av formaldehydmolekylet (H2C = O), fortsetter vi som følger:
Sp2-orbitalene til både C og O danner en σ-binding, mens deres rene orbitaler danner en π-binding (det oransje rektangel).
Det kan ses hvordan resten av de elektroniske gruppene (H-atomer og ikke-delte elektronpar) befinner seg i de andre sp2-orbitaler, separert med 120 °.
Hybridisering sp
Det øvre bildet viser et atom A med sp hybridisering. Her kombineres en orbital s og en p orbital for å oppstå to degenererte sp orbitaler. Imidlertid forblir to rene p-orbitaler uendret, noe som tillater A å danne to dobbeltbindinger eller et trippelbinding (≡).
Med andre ord: hvis i en struktur en C overholder ovennevnte (= C = eller C≡C), er hybridiseringen sp. For andre mindre illustrerende atomer - som overgangsmetaller - er beskrivelsen av elektroniske og molekylære geometrier komplisert fordi orbitalene d og f også vurderes.
Hybride orbitaler er separert med en vinkel på 180º. Av denne grunn er de koblede atomer anordnet i en lineær molekylær geometri (BAB). Til slutt, i bildet nedenfor kan du se strukturen av cyanidanionen:
