Articles

Chemia dla niespecjalistów

On 25 listopada, 2021 by

Czy rozpoznajesz tę roślinę?

Gdybyśmy spacerowali po plaży, rośliny przedstawione powyżej wyglądałyby zupełnie inaczej. Byłyby krótkie i wystawałyby z piasku. Gdy widzimy je w ten sposób, nie od razu rozpoznajemy je jako rośliny plażowe. Często musimy spojrzeć na świat wokół nas na różne sposoby, aby lepiej zrozumieć rzeczy.

Orbitale hybrydowe – sp3

Schemat wiązania opisany przez teorię wiązań walencyjnych musi uwzględniać geometrie molekularne przewidywane przez teorię VSEPR. Aby to zrobić, musimy wprowadzić pojęcie zwane orbitale hybrydowe.

sp 3 Hybrydyzacja

Niestety, nakładanie się istniejących orbitali atomowych ( s , p , itp.) nie jest wystarczające do wyjaśnienia niektórych z wiązań i geometrii molekularnych, które są obserwowane. Rozważmy pierwiastek węgiel i cząsteczkę metanu (CH 4 ). Atom węgla ma konfigurację elektronową 1s 2 2s 2 2p 2 , co oznacza, że ma dwa niesparowane elektrony w swoich orbitalach 2p, jak pokazano na poniższym rysunku.

Rysunek 1. Konfiguracja orbitalna dla atomu węgla.

Zgodnie z dotychczasowym opisem teorii wiązań walencyjnych należałoby oczekiwać, że węgiel będzie tworzył tylko dwa wiązania, odpowiadające jego dwóm niesparowanym elektronom. Jednak metan jest powszechną i stabilną cząsteczką, z czterema równoważnymi wiązaniami C-H. Aby to uwzględnić, jeden z elektronów 2s jest promowany do pustego orbitalu 2p (patrz Rysunek 2 poniżej).

Rysunek 2. Promocja elektronu węgla s do pustego orbitalu p.

Teraz możliwe są cztery wiązania. Wypromowanie elektronu „kosztuje” niewielką ilość energii, ale pamiętajmy, że procesowi tworzenia wiązań towarzyszy spadek energii. Dwa dodatkowe wiązania, które mogą być teraz utworzone, skutkują niższą energią całkowitą, a tym samym większą stabilnością cząsteczki CH 4. Węgiel normalnie tworzy cztery wiązania w większości swoich związków.

Liczba wiązań jest teraz prawidłowa, ale geometria jest nieprawidłowa. Trzy orbitale p (px , py, pz) są zorientowane na 90 o względem siebie. Jednak, jak wynika z teorii VSEPR, obserwowany kąt wiązania H-C-H w tetraedrycznej cząsteczce CH 4 wynosi w rzeczywistości 109,5 o . Zatem cząsteczka metanu nie może być adekwatnie reprezentowana przez proste nakładanie się orbitali 2s i 2p węgla z orbitalami 1s każdego atomu wodoru.

Aby wyjaśnić wiązanie w metanie, konieczne jest wprowadzenie pojęcia hybrydyzacji i hybrydowych orbitali atomowych. Hybrydyzacja to mieszanie orbitali atomowych w atomie w celu wytworzenia zestawu orbitali hybrydowych. Kiedy dochodzi do hybrydyzacji, musi ona być wynikiem mieszania się orbitali nierównoważnych. Innymi słowy, orbitale s i p mogą się hybrydyzować, ale orbitale p nie mogą hybrydyzować z innymi orbitalami p. Orbitale hybrydowe to orbitale atomowe uzyskane, gdy dwa lub więcej nierównoważnych orbitali tego samego atomu łączą się w przygotowaniu do utworzenia wiązania. W obecnym przypadku węgla, pojedynczy orbital 2s hybrydyzuje z trzema orbitalami 2p tworząc zestaw czterech orbitali hybrydowych, zwanych hybrydami sp 3 (patrz Rysunek 3 poniżej).

Rysunek 3. Orbitale hybrydowe węgla sp 3.

Wszystkie orbitale hybrydowe sp 3 są sobie równoważne. Przestrzennie, orbitale hybrydowe wskazują na cztery rogi czworościanu.

Rysunek 4.

Proces hybrydyzacji sp3 polega na zmieszaniu orbitali s z zestawem trzech orbitali p w celu utworzenia zestawu czterech orbitali hybrydowych sp 3. Każdy duży płat orbitali hybrydowych wskazuje na jeden róg czworościanu foremnego. Cztery płaty każdego z orbitali hybrydowych sp 3 następnie nakładają się z normalnych niezhybrydyzowanych 1s orbitali każdego atomu wodoru, tworząc tetraedryczną cząsteczkę metanu.

Podsumowanie

  • Elektrony hybrydyzują w celu utworzenia wiązań kowalencyjnych.
  • Niezrównoważne orbitale mieszają się tworząc orbitale hybrydowe.

Praktyka

Korzystaj z poniższego linku, aby odpowiedzieć na poniższe pytania. Przeczytaj tylko sekcje dotyczące hybrydyzacji amoniaku i wody.

http://www.adichemistry.com/general/chemicalbond/vbt/hybridization-illustrations.html

  1. Jakie są kąty wiązań w amoniaku i w wodzie?
  2. Co przyczynia się do tych nieoczekiwanych kątów wiązań?
  3. Co dzieje się z elektronami samotnej pary w amoniaku, gdy dochodzi do hybrydyzacji?
  4. Czy to samo dzieje się z wodą?

Review

  1. Dlaczego oczekuje się, że węgiel będzie tworzył tylko dwa wiązania kowalencyjne?
  2. Ile wiązań kowalencyjnych rzeczywiście tworzy węgiel?
  3. Co musi się stać, aby węgiel mógł tworzyć cztery wiązania?

Słowniczek

  • hybrydyzacja: Mieszanie orbitali atomowych w atomie w celu wytworzenia zestawu orbitali hybrydowych.
  • orbitale hybrydowe: Orbitale atomowe uzyskane, gdy dwa lub więcej nierównoważnych orbitali tworzą ten sam atom łączą się w przygotowaniu do tworzenia wiązania.

Cele nauczania

  • Opisać powstawanie orbitali sp i sp2.

Jak otworzyć zamknięte koło?

Romeo i Julia byli dwojgiem wielkich kochanków wszech czasów. Ich uścisk nie pozwalał żadnej innej osobie być jego częścią – oni chcieli być tylko ze sobą. Trzeba było interwencji z zewnątrz (rodzice są tacy!), żeby ich od siebie odciągnąć. Sparowane elektrony są podobne do zakochanych. Nie łączą się kowalencyjnie dopóki nie zostaną niesparowane. Wtedy mogą stać się częścią większej struktury chemicznej.

Orbitale hybrydowe – sp i sp 2

sp Hybrydyzacja

Cząsteczka wodorku berylu (BeH 2 ) jest przewidywana jako liniowa przez VSEPR. Atom berylu zawiera wszystkie sparowane elektrony i dlatego musi również ulegać hybrydyzacji. Jeden z elektronów 2s jest najpierw promowany do pustego orbitalu 2p x (patrz rysunek poniżej).

Rysunek 5. Promieniowanie elektronu Be 2s.

Teraz hybrydyzacja zachodzi tylko z orbitalami zajętymi i w rezultacie powstaje para orbitali hybrydowych sp. Dwa pozostałe orbitale p ( p y i p z ) nie hybrydyzują i pozostają niezajętymi (patrz rysunek 6 poniżej).

Rysunek 6. Orbitale hybrydowe Be.

Geometria orbitali hybrydowych sp jest liniowa, z płatami orbitali skierowanymi w przeciwnych kierunkach wzdłuż jednej osi, arbitralnie określonej jako oś x (patrz Rysunek 7). Każdy z nich może wiązać się z orbitalem 1s atomu wodoru, tworząc liniową cząsteczkę BeH 2.

Rysunek 7. Proces hybrydyzacji sp polega na zmieszaniu orbitali s z pojedynczym orbitalem p (umownie pxorbital), w celu utworzenia zestawu dwóch hybryd sp. Dwa płaty hybryd sp wskazują naprzeciwko siebie, aby wytworzyć cząsteczkę liniową.

Inne cząsteczki, których geometria domeny elektronowej jest liniowa i dla których hybrydyzacja jest konieczna, również tworzą orbitale hybrydowe sp. Przykłady obejmują CO2 i C2H2, które będą omówione bardziej szczegółowo później.

sp 2 Hybrydyzacja

Trójfluorek boronu (BF 3 ) jest przewidywany jako posiadający geometrię trygonalną planarną przez VSEPR. Najpierw sparowany elektron 2s jest promowany do pustego orbitalu 2p y (patrz rysunek 8).

Rysunek 8. Promieniowanie elektronu 2s.

Po tym następuje hybrydyzacja trzech zajętych orbitali tworząc zestaw trzech hybryd sp 2, pozostawiając orbital 2p z niezhybrydyzowany (patrz Rysunek 9).

Rysunek 9. Powstawanie orbitali sp2.

Geometria orbitali hybrydowych sp 2 jest trygonalna planarna, z płatami orbitali skierowanymi w stronę narożników trójkąta (patrz Rysunek 9). Kąt pomiędzy dwoma dowolnymi lobami orbitali hybrydowych wynosi 120°. Każdy z nich może wiązać się z orbitalem 2 p atomu fluoru, tworząc trójkątną planarną cząsteczkę BF 3.

Rysunek 9.

Proces hybrydyzacji sp2 polega na mieszaniu orbitali s z zestawem dwóch orbitali p (p x i p y ) w celu utworzenia zestawu trzech orbitali hybrydowych sp 2. Każdy duży płat orbitali hybrydowych wskazuje na jeden narożnik trójkąta planarnego.

Inne cząsteczki o geometrii domeny elektronowej planarnej trygonalnej tworzą orbitale hybrydowe sp 2. Ozon (O 3 ) jest przykładem cząsteczki, której geometria domeny elektronowej jest trygonalnie płaska, chociaż obecność samotnej pary na centralnym tlenie sprawia, że geometria cząsteczki jest wygięta. Hybrydyzacja centralnego atomu O ozonu wynosi sp 2 .

Podsumowanie

  • Parowe elektrony mogą być zhybrydyzowane, a następnie uczestniczyć w wiązaniu kowalencyjnym.

Praktyka

Użyj poniższego linku, aby odpowiedzieć na poniższe pytania. Przeczytaj tylko część dotyczącą boru.

http://www.adichemistry.com/general/chemicalbond/vbt/hybridization-illustrations.html

  1. Ile niesparowanych elektronów znajduje się w stanie podstawowym boru?
  2. Gdzie bor otrzymuje trzy niesparowane elektrony do wiązania tworząc BCl3?
  3. Jaka jest geometria BCl3 ?

Review

  1. Czy atom berylu w stanie podstawowym zawiera jakiekolwiek niesparowane elektrony?
  2. Dlaczego jeden elektron 2s w Be zostaje wypromowany na orbital 2p?
  3. Jaka jest geometria dwóch orbitali sp?
Pokaż referencje

  1. Priit Kallas (Wikimedia: Pk2000).http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Perspective_branches.jpg .
  2. CK-12 Foundation – Joy Sheng.
  3. CK-12 Foundation – Joy Sheng.
  4. CK-12 Foundation – Joy Sheng.
  5. CK-12 Foundation – Jodi So. CK-12 Foundation.
  6. Frank Dicksee. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Romeo_and_Juliet_%28detail%29_by_Frank_Dicksee.png .
  7. Fundacja CK-12 – Joy Sheng.
  8. Fundacja CK-12 – Joy Sheng.
  9. Fundacja CK-12 – Jodi So, przy użyciu cząsteczki 3D autorstwa Bena Millsa (Wikimedia: Benjah-bmm27). Cząsteczka 3D: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Beryllium-hydride-molecule-IR-3D-balls.png.
  10. CK-12 Foundation – Joy Sheng.
  11. CK-12 Foundation – Joy Sheng.
  12. CK-12 Foundation – Jodi So, wykorzystując strukturę molekularną 3D autorstwa Bena Millsa (Wikimedia: Benjah-bmm27). Cząsteczka 3D: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Boron-trifluoride-3D-balls.png.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.