Chimie pentru neinițiațiatori

Orbitalii hibrizi – sp3

Schema de legătură descrisă de teoria legăturii de valență trebuie să țină cont de geometriile moleculare așa cum sunt prezise de teoria VSEPR. Pentru a face acest lucru, trebuie să introducem un concept numit orbitali hibrizi.

hibridizare sp 3

Din păcate, suprapunerea orbitalilor atomici existenți ( s , p , etc.) nu este suficientă pentru a explica unele dintre geometriile de legătură și moleculare care sunt observate. Luați în considerare elementul carbon și molecula de metan (CH 4 ). Un atom de carbon are configurația electronică 1s 2 2s 2 2s 2 2p 2 , ceea ce înseamnă că are doi electroni neperecheați în orbitalii săi 2p, așa cum se arată în figura de mai jos.

Figura 1. Configurația orbitală pentru atomul de carbon.

Conform descrierii de până acum a teoriei legăturilor de valență, ar fi de așteptat ca carbonul să formeze doar două legături, corespunzătoare celor doi electroni nepereche ai săi. Cu toate acestea, metanul este o moleculă comună și stabilă, cu patru legături C-H echivalente. Pentru a explica acest lucru, unul dintre electronii 2s este promovat pe orbitalul 2p gol (vezi figura 2 de mai jos).

Figura 2. Promovarea electronului s al carbonului pe orbitalul p gol.

Acum, sunt posibile patru legături. Promovarea electronului „costă” o cantitate mică de energie, dar reamintim că procesul de formare a legăturii este însoțit de o scădere a energiei. Cele două legături suplimentare care se pot forma acum au ca rezultat o energie totală mai mică și, prin urmare, o mai mare stabilitate a moleculei CH 4. În mod normal, carbonul formează patru legături în majoritatea compușilor săi.

Numărul de legături este acum corect, dar geometria este greșită. Cei trei orbitali p (px , py, pz) sunt orientați la 90 o unul față de celălalt. Cu toate acestea, așa cum s-a văzut din teoria VSEPR, unghiul observat al legăturii H-C-H în molecula tetraedrică CH 4 este de fapt de 109,5 o . Prin urmare, molecula de metan nu poate fi reprezentată în mod adecvat prin simpla suprapunere a orbitalilor 2s și 2p ai carbonului cu orbitalii 1s ai fiecărui atom de hidrogen.

Pentru a explica legătura din metan, este necesar să introducem conceptul de hibridizare și orbitalii atomici hibrizi. Hibridizarea este amestecul orbitalilor atomici dintr-un atom pentru a produce un set de orbitali hibrizi. Atunci când are loc hibridizarea, aceasta trebuie să aibă loc ca urmare a amestecului de orbitali neechivalenți. Cu alte cuvinte, orbitalii s și p se pot hibridiza, dar orbitalii p nu se pot hibridiza cu alți orbitali p. Orbitalii hibrizi sunt orbitalii atomici obținuți atunci când doi sau mai mulți orbitali neechivalenți din același atom se combină în vederea pregătirii pentru formarea unei legături. În cazul curent al carbonului, orbitalul unic 2s se hibridizează cu cei trei orbitali 2p pentru a forma un set de patru orbitali hibrizi, numiți hibrizi sp 3 (vezi figura 3 de mai jos).

Figura 3. Orbitalii hibrizi sp 3 ai carbonului.

Hibridele sp 3 sunt toate echivalente între ele. Spațial, orbitalii hibrizi se îndreaptă spre cele patru colțuri ale unui tetraedru.

Figura 4.

Procesul de hibridizare sp3 este amestecul unui orbital s cu un set de trei orbitali p pentru a forma un set de patru orbitali hibrizi sp 3. Fiecare lob mare al orbitalilor hibrizi indică un colț al unui tetraedru. Cei patru lobi ai fiecăruia dintre orbitalii hibrizi sp 3 se suprapun apoi cu orbitalii 1s normali nehibridizați ai fiecărui atom de hidrogen pentru a forma molecula tetraedrică de metan.

Glosar

Orbitali hibrizi – sp și sp 2

Hibridizare sp

O moleculă de hidrură de beriliu (BeH 2 ) este prezisă ca fiind liniară de către VSEPR. Atomul de beriliu conține toți electronii împerecheați și, prin urmare, trebuie să sufere, de asemenea, hibridizare. Unul dintre electronii 2s este mai întâi promovat pe orbitalul gol 2p x (a se vedea figura de mai jos).

Figura 5. Promovarea electronului 2s al Be 2s.

Acum, hibridizarea are loc numai cu orbitalii ocupați și rezultă o pereche de orbitali hibrizi sp. Cei doi orbitali p rămași ( p y și p z ) nu se hibridizează și rămân neocupați (vezi figura 6 de mai jos).

Figura 6. Orbitalii hibrizi ai Be.

Geometria orbitalilor hibrizi sp este liniară, cu lobii orbitalilor orientați în direcții opuse de-a lungul unei axe, definită arbitrar ca fiind axa x (vezi figura 7). Fiecare se poate lega cu un orbital 1s de la un atom de hidrogen pentru a forma molecula liniară BeH 2.

Figura 7. Procesul de hibridizare sp constă în amestecarea unui orbital s cu un singur orbital p (prin convenție, orbitalul px), pentru a forma un set de doi hibrizi sp. Cei doi lobi ai hibrizilor sp sunt orientați unul față de celălalt pentru a produce o moleculă liniară.

Alte molecule a căror geometrie a domeniului electronic este liniară și pentru care este necesară hibridizarea formează, de asemenea, orbitali hibrizi sp. Exemplele includ CO2 și C2H2, care vor fi discutate mai în detaliu mai târziu.

sp 2 Hibridizare

Trifluorura de bor (BF 3 ) este prezisă a avea o geometrie plană trigonală prin VSEPR. Mai întâi un electron 2s împerecheat este promovat în orbitalul gol 2p y (vezi figura 8).

Figura 8. Promovarea electronului 2s.

Aceasta este urmată de hibridizarea celor trei orbitali ocupați pentru a forma un set de trei hibrizi sp 2, lăsând orbitalul 2p z nehibridizat (a se vedea figura 9).

Figura 9. Formarea orbitalului sp 2.

Geometria orbitalilor hibrizi sp 2 este plană trigonală, cu lobii orbitalilor îndreptați spre colțurile unui triunghi (vezi figura 9). Unghiul dintre oricare doi lobi ai orbitalilor hibrizi este de 120°. Fiecare dintre ei se poate lega cu un orbital 2 p de la un atom de fluor pentru a forma molecula BF 3 cu plan trigonal.

Figura 9.

Procesul de hibridizare sp2 este amestecul unui orbital s cu un set de doi orbitali p (p x și p y ) pentru a forma un set de trei orbitali hibrizi sp 2. Fiecare lob mare al orbitalilor hibrizi indică un colț al unui triunghi planar.

Alte molecule cu o geometrie a domeniului electronic planar trigonal formează orbitali hibrizi sp 2. Ozonul (O 3 ) este un exemplu de moleculă a cărei geometrie a domeniului electronic este plană trigonală, deși prezența unei perechi solitare pe oxigenul central face ca geometria moleculară să fie curbată. Hibridizarea atomului central de O al ozonului este sp 2 .