Kemi för icke-studenter

Hybrida orbitaler – sp3

Bindningsschemat som beskrivs av teorin om valensbindningar måste redogöra för de molekylära geometrier som förutsägs av VSEPR-teorin. För att göra det måste vi införa ett begrepp som kallas hybridorbitaler.

sp 3 Hybridisering

Tyvärr är överlappning av befintliga atomorbitaler ( s , p , etc.) inte tillräcklig för att förklara en del av de bindnings- och molekylgeometrier som observeras. Tänk på grundämnet kol och molekylen metan (CH 4 ). En kolatom har elektronkonfigurationen 1s 2 2s 2 2p 2 , vilket innebär att den har två oparade elektroner i sina 2p-orbitaler, vilket visas i figuren nedan.

Figur 1. Orbitalkonfiguration för kolatom.

Enligt beskrivningen av teorin om valensbindningar hittills skulle kolet förväntas bilda endast två bindningar, vilket motsvarar dess två oparade elektroner. Metan är dock en vanlig och stabil molekyl med fyra likvärdiga C-H-bindningar. För att förklara detta främjas en av 2s elektronerna till den tomma 2p-orbitalen (se figur 2 nedan).

Figur 2. Promotion av kolets s-elektron till tom p-orbital.

Nu är fyra bindningar möjliga. Elektronens framflyttning ”kostar” en liten mängd energi, men kom ihåg att processen för bindningsbildning åtföljs av en minskning av energin. De två extra bindningar som nu kan bildas resulterar i en lägre total energi och därmed större stabilitet för CH 4-molekylen. Kol bildar normalt fyra bindningar i de flesta av sina föreningar.

Antalet bindningar är nu korrekt, men geometrin är fel. De tre p-orbitalerna (px , py, pz) är orienterade 90 o i förhållande till varandra. Som framgår av VSEPR-teorin är dock den observerade H-C-H-bindningsvinkeln i den tetraedriska CH 4-molekylen i själva verket 109,5 o . Därför kan metanmolekylen inte representeras på ett adekvat sätt genom en enkel överlappning av kolets 2s- och 2p-orbitaler med varje väteatoms 1s-orbitaler.

För att förklara bindningarna i metan är det nödvändigt att introducera begreppet hybridisering och hybridatomära orbitaler. Hybridisering är blandningen av atomorbitalerna i en atom för att producera en uppsättning hybridorbitaler. När hybridisering sker måste det ske som ett resultat av blandningen av icke likvärdiga orbitaler. Med andra ord kan s- och p-orbitaler hybridisera, men p-orbitaler kan inte hybridisera med andra p-orbitaler. Hybrida orbitaler är de atomära orbitaler som erhålls när två eller flera icke-ekvivalenta orbitaler från samma atom kombineras som förberedelse för bindningsbildning. I det aktuella fallet med kol hybridiserar den enda 2s orbitalen med de tre 2p orbitalerna för att bilda en uppsättning av fyra hybridorbitaler, så kallade sp 3 hybrider (se figur 3 nedan).

Figur 3. Kolets sp3-hybridorbitaler.

Sp 3-hybriderna är alla likvärdiga med varandra. Rumsligt sett pekar hybridorbitalerna mot de fyra hörnen av en tetraeder.

Figur 4.

Processen för sp3-hybridisering är blandningen av en s-orbital med en uppsättning tre p-orbitaler för att bilda en uppsättning fyra sp 3-hybridorbitaler. Varje stor lob av hybridorbitalerna pekar på ett hörn av en tetraeder. De fyra loberna i var och en av sp 3-hybridorbitalerna överlappar sedan med de normala ohybridiserade 1sorbitalerna hos varje väteatom för att bilda den tetraedriska metanmolekylen.

Ordlista

Hybridbanor – sp och sp 2

sp Hybridisering

En berylliumhydridmolekyl (BeH 2 ) förutsägs vara linjär av VSEPR. Berylliumatomen innehåller alla parade elektroner och måste därför också genomgå hybridisering. En av 2s elektronerna promoveras först till den tomma 2p x-orbitalen (se figuren nedan).

Figur 5. Promotion av Be 2s elektron.

Nu sker hybridiseringen endast med de ockuperade banorna och resultatet är ett par sp-hybridbanoritaler. De två återstående p-orbitalerna ( p y och p z ) hybridiserar inte och förblir oockuperade (se figur 6 nedan).

Figur 6. Be hybridorbitaler.

De sp-hybrida orbitalernas geometri är linjär, med orbitalernas lober som pekar i motsatta riktningar längs en axel, som godtyckligt definieras som x-axeln (se figur 7). Var och en kan binda med en 1s orbital från en väteatom för att bilda den linjära BeH 2-molekylen.

Figur 7. Processen för sp-hybridisering är blandningen av en s-orbital med en enda p-orbital (konventionellt pxorbitalet), för att bilda en uppsättning av två sp-hybrider. De två loberna i sp-hybriderna pekar mittemot varandra för att producera en linjär molekyl.

Andra molekyler vars elektrondomängeometri är linjär och för vilka hybridisering är nödvändig bildar också sp-hybridorbitaler. Exempel är CO2 och C2H2, som kommer att diskuteras närmare senare.

sp 2 Hybridisering

Borontrifluorid (BF 3 ) förutsägs ha en trigonal planär geometri av VSEPR. Först främjas en parad 2s elektron till den tomma 2p y-orbitalen (se figur 8).

Figur 8. Promotion av 2s elektron.

Detta följs av hybridisering av de tre ockuperade orbitalerna för att bilda en uppsättning av tre sp 2-hybrider, vilket lämnar 2p z-orbitalet ohybriderat (se figur 9).

Figur 9. Bildande av sp2-orbital.

Geometrin för sp 2-hybridorbitalerna är trigonalt plan, med orbitalernas lober som pekar mot hörnen av en triangel (se figur 9). Vinkeln mellan två av hybridorbitalernas lober är 120°. Var och en kan binda med en 2 p-orbital från en fluoratom för att bilda den trigonala plana BF 3-molekylen.

Figur 9.

Processen för sp2-hybridisering är blandningen av en s-orbital med en uppsättning av två p-orbitaler (p x och p y ) för att bilda en uppsättning av tre sp 2-hybridorbitaler. Varje stor lob av hybridorbitalerna pekar på ett hörn av en plan triangel.

Andra molekyler med en trigonal plan elektrondomängeometri bildar sp 2 hybridorbitaler. Ozon (O 3 ) är ett exempel på en molekyl vars elektrondomängeometri är trigonalplanär, även om närvaron av ett ensamt par på det centrala syret gör att molekylgeometrin är böjd. Hybridiseringen av den centrala O-atomen i ozon är sp 2 .