Kemiaa ei-opiskelijoille

Hybridiorbitaalit – sp3

Valenssisidosteorian kuvaaman sidoskaavion on otettava huomioon molekyyligeometriat VSEPR-teorian ennustamalla tavalla. Tätä varten on otettava käyttöön käsite nimeltä hybridiorbitaalit.

sp 3 Hybridisaatio

Valitettavasti olemassa olevien atomiorbitaalien ( s , p , jne.) päällekkäisyys ei riitä selittämään joitakin havaittuja sidos- ja molekyyligeometrioita. Tarkastellaan alkuaine hiiltä ja metaanimolekyyliä (CH 4 ). Hiiliatomin elektronikonfiguraatio on 1s 2 2s 2 2p 2 , mikä tarkoittaa, että sillä on kaksi parittamatonta elektronia 2p-orbitaaleissa, kuten alla olevasta kuvasta näkyy.

Kuva 1. Hiiliatomin elektronikonfiguraatio. Hiiliatomin orbitaalikonfiguraatio.

Valenssisidosteorian tähänastisen kuvauksen mukaan hiilen odotettaisiin muodostavan vain kaksi sidosta, jotka vastaavat sen kahta parittamatonta elektronia. Metaani on kuitenkin yleinen ja vakaa molekyyli, jossa on neljä vastaavaa C-H-sidosta. Tämän selittämiseksi yksi 2s:n elektroneista siirretään tyhjään 2p-orbitaaliin (ks. kuva 2 alla).

Kuva 2. Hiilen s-elektronin promootio tyhjään p-orbitaaliin.

Nyt neljä sidosta on mahdollista. Elektronin edistäminen ”maksaa” pienen energiamäärän, mutta muistetaan, että sidoksen muodostumisprosessiin liittyy energian väheneminen. Kaksi ylimääräistä sidosta, jotka nyt voidaan muodostaa, johtaa alhaisempaan kokonaisenergiaan ja siten CH 4 -molekyylin suurempaan stabiilisuuteen. Hiili muodostaa tavallisesti neljä sidosta useimmissa yhdisteissään.

Sidosten lukumäärä on nyt oikea, mutta geometria on väärä. Kolme p-orbitaalia (px , py, pz) on suunnattu 90 o suhteessa toisiinsa. Kuitenkin, kuten VSEPR-teoriasta nähtiin, havaittu H-C-H-sidoksen kulma tetraedrisessä CH 4 -molekyylissä on todellisuudessa 109,5 o . Näin ollen metaanimolekyyliä ei voida riittävästi esittää yksinkertaisella hiilen 2s ja 2p -orbitaalien ja kunkin vetyatomin 1s -orbitaalien päällekkäisyydellä.

Metaanin sidoksen selittämiseksi on tarpeen ottaa käyttöön hybridisaation ja hybridiatomiorbitaalien käsite. Hybridisaatio on atomin atomiorbitaalien sekoittumista siten, että syntyy joukko hybridiorbitaaleja. Kun hybridisaatio tapahtuu, sen on tapahduttava ei-ekvivalenttien orbitaalien sekoittumisen seurauksena. Toisin sanoen s- ja p-orbitaalit voivat hybridisoitua, mutta p-orbitaalit eivät voi hybridisoitua toisten p-orbitaalien kanssa. Hybridiorbitaalit ovat atomiorbitaaleja, jotka syntyvät, kun kaksi tai useampi saman atomin ei-ekvivalentti orbitaali yhdistyy valmisteltaessa sidoksen muodostumista. Nykyisessä hiilen tapauksessa yksittäinen 2s-orbitaali hybridisoituu kolmen 2p-orbitaalin kanssa muodostaen neljän hybridiorbitaalin joukon, joita kutsutaan sp 3 -hybrideiksi (ks. kuva 3 alla).

Kuva 3. Hiilen sp3-hybridiorbitaalit.

Sp 3 -hybridiorbitaalit ovat kaikki keskenään ekvivalentteja. Tilallisesti hybridiorbitaalit osoittavat kohti tetraedrin neljää kulmaa.

Kuva 4.

Sp3-hybridisaatiossa s-orbitaali sekoittuu kolmen p-orbitaalin joukkoon muodostaen neljän sp 3 -hybridiorbitaalin joukon. Hybridiorbitaalien jokainen suuri lohko osoittaa tetraedrin yhtä kulmaa. Kunkin sp 3 -hybridiorbitaalin neljä lohkoa limittyvät sitten kunkin vetyatomin normaalien hybridiytymättömien 1s-orbitaalien kanssa muodostaen tetraedrisen metaanimolekyylin.

Sanasto

Hybridiorbitaalit – sp ja sp 2

sp hybridisaatio

VSEPR ennustaa berylliumhydridin (BeH 2 ) molekyylin olevan lineaarinen. Berylliumatomi sisältää kaikki parittaiset elektronit, joten sen täytyy myös käydä läpi hybridisaatio. Yksi 2s:n elektroneista siirretään ensin tyhjään 2p x-orbitaaliin (ks. kuva alla).

Kuva 5. Molekyylin elektronit. Be 2s -elektronin promootio.

Nyt hybridisaatio tapahtuu vain miehitettyjen orbitaalien kanssa ja tuloksena on sp-hybridiorbitaalipari. Kaksi jäljelle jäävää p-orbitaalia ( p y ja p z ) eivät hybridisoidu ja jäävät miehittämättömiksi (ks. kuva 6 alla).

Kuva 6. Be-hybridiorbitaalit.

Sp-hybridiorbitaalien geometria on lineaarinen, ja orbitaalien lohkot osoittavat vastakkaisiin suuntiin yhtä akselia pitkin, joka on mielivaltaisesti määritelty x-akseliksi (ks. kuva 7). Jokainen voi sitoutua vetyatomin 1s-orbitaalin kanssa muodostaen lineaarisen BeH 2 -molekyylin.

Kuva 7. Sp-hybridisaatioprosessi on s-orbitaalin ja yhden p-orbitaalin (sopimuksen mukaan pxorbitaali) sekoittumista, jolloin muodostuu kahden sp-hybridin joukko. Sp-hybridien kaksi lohkoa osoittavat vastakkain tuottaen lineaarisen molekyylin.

Muut molekyylit, joiden elektronialueen geometria on lineaarinen ja joille hybridisaatio on välttämätön, muodostavat myös sp-hybridiorbitaaleja. Esimerkkejä ovat CO2 ja C2H2, joita käsitellään tarkemmin myöhemmin.

sp 2 Hybridisaatio

Booritrifluoridilla (BF 3 ) ennustetaan VSEPR:n avulla olevan trigonaalinen tasogeometria. Ensin paritettu 2s elektroni siirtyy tyhjään 2p y-orbitaaliin (ks. kuva 8).

Kuva 8. 2s elektronin promootio.

Tämän jälkeen kolme varattua orbitaalia hybridisoituu muodostaen kolmen sp 2 -hybridin joukon, jolloin 2p z-orbitaali jää hybridisoitumatta (ks. kuva 9).

Kuva 9. Sp2-orbitaalin muodostuminen.

Sp 2 -hybridiorbitaalien geometria on trigonaalisesti tasomainen, jolloin orbitaalien lohkot osoittavat kohti kolmion kulmia (ks. kuva 9). Kahden hybridiorbitaalin lohkojen välinen kulma on 120°. Kumpikin voi sitoutua fluoriatomin 2 p-orbitaalin kanssa muodostaen trigonaalisen tasomaisen BF 3 -molekyylin.

Kuva 9.

Sp2-hybridisaatiossa s-orbitaali sekoittuu kahden p-orbitaalin (p x ja p y ) joukkoon muodostaen kolmen sp 2 -hybridiorbitaalin joukon. Hybridiorbitaalien kukin suuri lohko osoittaa tasokulmaisen kolmion yhtä kulmaa.

Muut molekyylit, joilla on trigonaalinen tasokulmainen elektronialueen geometria, muodostavat sp 2 -hybridiorbitaaleja. Otsoni (O 3 ) on esimerkki molekyylistä, jonka elektronialueen geometria on trigonaalinen planaarinen, vaikka keskushapen yksinäisen parin läsnäolo tekee molekyyligeometriasta mutkallista. Otsonin keskeisen O-atomin hybridisaatio on sp 2 .