Kémia nem szakos hallgatóknak

Hybridorbitálisok – sp3

A valenciakötés-elmélet által leírt kötési sémának a VSEPR-elmélet által megjósolt molekuláris geometriákat kell figyelembe vennie. Ehhez be kell vezetnünk az úgynevezett hibrid pályák fogalmát.

sp 3 hibridizáció

Sajnos a meglévő atomi pályák ( s , p , stb.) átfedése nem elegendő a megfigyelt kötési és molekuláris geometriák egy részének magyarázatához. Tekintsük a szén elemet és a metán (CH 4 ) molekulát. A szénatom elektronkonfigurációja 1s 2 2s 2 2p 2 , ami azt jelenti, hogy két párosítatlan elektronja van a 2p pályáin, ahogy az alábbi ábrán látható.

1. ábra. A szénatom orbitális konfigurációja.

A valencia kötéselmélet eddigi leírása szerint a szén várhatóan csak két kötést képezne, ami megfelel a két párosítatlan elektronjának. A metán azonban gyakori és stabil molekula, négy egyenértékű C-H kötéssel. Ennek figyelembevétele érdekében a 2s elektronok közül az egyiket az üres 2p orbitálisba léptetjük elő (lásd a 2. ábrát).

2. ábra. A szén s elektronjának előléptetése az üres p orbitálisba.

Most már négy kötés lehetséges. Az elektron előléptetése kis energiába “kerül”, de emlékezzünk arra, hogy a kötés kialakulásának folyamata energiacsökkenéssel jár. A most kialakítható két plusz kötés alacsonyabb összenergiát és ezáltal nagyobb stabilitást eredményez a CH 4 molekulának. A szén a legtöbb vegyületében általában négy kötést képez.

A kötések száma most helyes, de a geometria rossz. A három p pálya (px , py, pz) egymáshoz képest 90 o-ban van tájolva. Amint azonban a VSEPR elméletből kiderült, a tetraéderes CH 4 molekulában a megfigyelt H-C-H kötésszög valójában 109,5 o . Ezért a metánmolekula nem ábrázolható megfelelően a szén 2s és 2p pályáinak egyszerű átfedésével az egyes hidrogénatomok 1s pályáival.

A metánban lévő kötés magyarázatához be kell vezetni a hibridizáció és a hibrid atomi pályák fogalmát. A hibridizáció az atomban lévő atomi pályák keveredését jelenti, hogy hibrid pályák halmaza jöjjön létre. Ha hibridizáció történik, akkor annak nem egyenértékű pályák keveredésének eredményeként kell történnie. Más szóval az s és p pályák hibridizálódhatnak, de a p pályák nem hibridizálódhatnak más p pályákkal. A hibrid pályák azok az atomi pályák, amelyek akkor keletkeznek, amikor két vagy több nem ekvivalens pálya ugyanannak az atomnak a két vagy több nem ekvivalens pályája összekapcsolódik a kötésképzés előkészítése során. A szén jelenlegi esetében az egyetlen 2s pálya hibridizálódik a három 2p pályával, így négy hibrid pálya, az úgynevezett sp 3 hibridek halmaza jön létre (lásd az alábbi 3. ábrát).

3. ábra. Szén sp3 hibrid pályák.

Az sp 3 hibridek mindegyike ekvivalens egymással. Térben a hibrid orbitálok egy tetraéder négy sarka felé mutatnak.

4. ábra.

Az sp3 hibridizáció folyamata egy s orbitál és három p orbitál keveredése, így négy sp 3 hibrid orbitál jön létre. A hibrid orbitálok minden egyes nagy nyalábja egy tetraéder egyik sarkára mutat. Az egyes sp 3 hibridbitálisok négy nyalábja ezután átfedésben van az egyes hidrogénatomok normál, nem hibridizált 1s pályáival, így alakul ki a tetraéderes metánmolekula.

Fogalomtár

Hibrid orbitálok – sp és sp 2

sp hibridizáció

A berilliumhidrid (BeH 2 ) molekulát a VSEPR lineárisnak jósolja. A berilliumatom minden párosított elektront tartalmaz, így hibridizáción is át kell esnie. Az egyik 2s elektron először az üres 2p x-orbitálba kerül (lásd az alábbi ábrát).

5. ábra. Be 2s elektron promóciója.

Most a hibridizáció csak a foglalt orbitálokkal történik, és az eredmény egy sp hibrid orbitálpár lesz. A két fennmaradó p pálya ( p y és p z ) nem hibridizálódik, és nem marad elfoglalva (lásd a 6. ábrát).

6. ábra. Be hibridorbitálisok.

A sp hibridorbitálisok geometriája lineáris, a pályák nyalábjai egy tengely mentén ellentétes irányba mutatnak, amelyet önkényesen x-tengelyként határozunk meg (lásd a 7. ábrát). Mindegyikük képes kötődni egy hidrogénatom 1s orbitáljával, így képezve a lineáris BeH 2 molekulát.

7. ábra. Az sp hibridizáció folyamata egy s orbitál és egy p orbitál (a konvenció szerint a pxorbitál) keveredése, két sp hibridből álló halmaz kialakulásához. Az sp hibridek két lebenye egymással szemben mutat, így egy lineáris molekula jön létre.

Más molekulák, amelyek elektrontartományának geometriája lineáris, és amelyeknél a hibridizáció szükséges, szintén sp hibrid orbitálokat képeznek. Ilyen például a CO2 és a C2H2, amelyekről később részletesebben is szó lesz.

sp 2 hibridizáció

A bór-trifluorid (BF 3 ) trigonális síkbeli geometriáját a VSEPR előrejelzi. Először egy párosított 2s elektron kerül az üres 2p y orbitálisba (lásd a 8. ábrát).

8. ábra. A 2s elektron promóciója.

Ezt követi a három elfoglalt orbitál hibridizációja, hogy három sp 2 hibridet alkosson, miközben a 2p z orbitál hibridizálatlan marad (lásd a 9. ábrát).

9. ábra. Az sp2 orbitálok kialakulása.

A sp 2 hibrid orbitálok geometriája trigonális síkú, az orbitálok lebenyei egy háromszög sarkai felé mutatnak (lásd a 9. ábrát). A hibrid orbitálisok bármely két nyalábja közötti szög 120°. Mindegyikük képes egy fluoratom 2 p orbitáljával kötődni, hogy trigonális síkú BF 3 molekulát alkosson.

9. ábra.

Az sp2 hibridizáció folyamata egy s orbitál és két p orbitál (p x és p y ) keveredése három sp 2 hibrid orbitál halmazának kialakulásához. A hibrid orbitálok minden egyes nagy nyalábja egy síkbeli háromszög egyik sarkára mutat.

Más, trigonális síkbeli elektrontartomány geometriájú molekulák sp 2 hibrid orbitálokat képeznek. Az ózon (O 3 ) példa olyan molekulára, amelynek elektrontartomány-geometriája trigonális síkú, bár a központi oxigénen lévő magányos pár jelenléte miatt a molekula geometriája hajlított. Az ózon központi O atomjának hibridizációja sp 2 .