Hibridisasi

Metana: penghibridan sp ³

Sebatian organik yang paling mudah ialah molekul metana, yang mengandungi satu atom karbon. Cangkang valensinya mempunyai empat elektron, jadi ia mampu menghasilkan empat ikatan, dan dalam molekul metana – dengan empat atom hidrogen. Pada mulanya diandaikan bahawa disebabkan penggunaan dua jenis orbital (2s dan 2p) semasa membentuk ikatan, metana mempunyai dua jenis ikatan CH yang berbeza. Walau bagaimanapun, penyelidikan lanjut mendedahkan kebarangkalian yang sangat tinggi bahawa, walaupun andaian tersebut, setiap ikatan CH yang wujud dalam metana adalah sama dan secara ruang diarahkan ke sudut tetrahedron biasa. Linus Paulinglah yang menjawab soalan mengapa demikian. Dia telah membuktikan secara matematik bagaimana hibridisasi, iaitu mencampurkan orbital s dengan tiga orbital p, adalah mungkin. Ini menyebabkan pembentukan empat orbital atom setara yang geometri spatialnya mempunyai bentuk tetrahedron. Jenis hibridisasi ini dipanggil sp ³ . Semata-mata istilah "hibridisasi" secara logik menerangkan bagaimana sebenarnya orbital yang berbeza bercampur antara satu sama lain, tetapi ia tidak menjawab persoalan mengapa transformasi sedemikian sebenarnya berlaku. Walau bagaimanapun, ini juga boleh dijelaskan. Apabila orbital s berhibrid, ia bercampur dengan tiga orbital p, dan orbital hibrid yang terhasil tidak tersusun secara simetri berhubung dengan nukleus. Ini kerana sp ³ -orbital yang dicipta ternyata mempunyai satu gelung yang lebih kecil dan satu lebih besar. Yang terakhir, yang jauh lebih besar, bertindih jauh lebih baik dengan orbital atom lain semasa ikatan sedang terbentuk. Akibatnya, orbital atau hibrid sp ³ sedemikian menghasilkan ikatan yang jauh lebih kuat berbanding dengan orbital s dan p yang tidak berhibrid.

Mekanisme penghibridan sp ³

Orbital sp ³ menampilkan asimetri yang berkaitan dengan persamaan gelombang yang mentakrifkan orbital p; akibatnya, kedua-dua gelung mempunyai tanda yang bertentangan: tambah dan tolak. Disebabkan oleh ciri itu dan pertindihan orbital p- dan s, salah satu gelung orbital p adalah aditif, manakala satu lagi adalah tolak dengan orbital s. Akibatnya, gelung ini ditambah atau ditolak daripada orbital s, yang membentuk orbital hibrid yang berorientasikan kuat ke satu arah. Apabila orbital yang sama bagi atom karbon, dengan penghibridan sp ³ , bertindih dengan orbital 1s empat atom hidrogen, ikatan CH yang terhasil adalah sama. Dalam metana, tenaga ikatannya ialah 438 kJ/mol dan panjangnya sehingga 1.10Å. Ini adalah nilai ciri yang ditetapkan untuk ikatan tertentu dalam molekul itu. Ciri lain untuk geometri molekul itu ialah sudut ikatan. Ia menentukan sudut yang terbentuk antara dua ikatan HCH berturut-turut dan sama dengan tepat 109.5 ^o . Kami memanggilnya sudut tetrahedral.

Etana: penghibridan sp ³

Sebatian lain yang boleh dipertimbangkan dengan cara yang sama ialah etana, yang mengandungi ikatan antara karbon (CC). Atom karbon yang wujud dalam strukturnya bersambung antara satu sama lain hasil daripada pertindihan σ-orbital dalam hibrid sp ³ setiap satunya. Tiga orbital hibrid yang lain bagi setiap atom karbon bertindih dengan orbital 1s atom hidrogen. Ini menghasilkan enam ikatan CH yang sama. Ikatan sedemikian dicirikan oleh tenaga 420 kJ/mol. Ikatan CC ialah 276 kJ/mol dalam tenaga dan panjang 1.54Å. Sudut yang terbentuk dalam konfigurasi sedemikian ialah tetrahedral (109.5 ^o ).

Etilena: penghibridan sp ²

Keadaan elektron yang paling biasa untuk karbon ialah penghibridan sp ³ , tetapi terdapat juga varian lain. Penyelidikan telah mendedahkan bahawa dalam etilena, sebagai contoh, atom karbon menunjukkan kuantiti ikatan yang sesuai hanya jika ia bersambung antara satu sama lain untuk berkongsi empat elektron. Kemudian mereka membentuk ikatan berganda antara mereka. Fakta lain ialah etilena mempunyai struktur rata, dan sudut antara ikatannya ialah 120 ^o . Ini kerana dalam kes ini orbital 2s bercampur dengan hanya dua daripada tiga orbital 2p sedia ada. Hasilnya ialah kehadiran tiga orbital hibrid yang dipanggil sp ² . Terdapat juga satu orbital 2p, yang tidak hibridisasi. Kemudian struktur geometri adalah seperti berikut: tiga orbital hibrid terletak pada satah yang sama, pada 120 ^o antara satu sama lain, manakala orbital p bukan hibrid berserenjang dengan satah sp ² .

Mekanisme penghibridan sp ²

Hasil daripada pertindihan orbital sp ² -sp ² , dua atom karbon dengan penghibridan sp ² membentuk ikatan σ. Orbital p yang tidak terhibrid bagi atom bertindih secara sisi antara satu sama lain, yang menyebabkan pembentukan ikatan π. Dalam ikatan sedemikian, kawasan ketumpatan elektron hadir pada kedua-dua belah garis antara nukleus, walaupun tidak secara langsung di antara mereka. Konfigurasi sedemikian, yang mengandungi ikatan σ bagi hibrid sp ² dan ikatan π bagi atom bukan hibrid, membawa kepada empat elektron dikongsi oleh dua atom karbon, sehingga membentuk ikatan berganda C=C. Oleh itu, struktur etilena mengandungi empat atom hidrogen, yang membentuk ikatan σ dengan empat orbital sp ² yang kekal sebaik sahaja ikatan berganda terbentuk. Molekul mempunyai geometri rata, dan sudut ikatan adalah lebih kurang 120 ^o . Nilai khusus untuk ikatan CH ialah panjang 1.076Å dan tenaga 444 kJ/mol. Oleh kerana hanya dua elektron dikongsi, bukan empat (tidak seperti dalam, misalnya, struktur etana), ikatan C=C berganda adalah lebih pendek dan lebih kuat daripada ikatan CC tunggal. Dalam etilena, ia adalah 1.33Å panjang dan 611 kJ/mol tenaga. Dengan teori orbital molekul, kita juga boleh memerhatikan bahawa gabungan dua orbital p atom membentuk orbital π molekul ikatan dan antibonding. Orbital ikatan tidak mempunyai nod antara nukleus kerana gabungan aditif gelung p dengan tanda algebra yang sama. Sebaliknya, orbital antiikatan mempunyai nod antara nukleus disebabkan oleh kesan tolak gelung dengan tanda algebra yang berbeza. Akibatnya, hanya orbital molekul ikatan yang kurang bertenaga akan terisi.

Asetilena: penghibridan sp

Satu lagi kemungkinan untuk menghubungkan antara atom karbon adalah dengan membentuk ikatan rangkap tiga dengan enam elektron dikongsi. Untuk tujuan ini, kita perlu memperkenalkan satu lagi penghibridan orbit, yang dipanggil penghibridan sp. Dalam konfigurasi ini, orbital 2s bagi atom karbon hanya bercampur dengan satu orbital p. Ini membawa kepada pembentukan dua orbital dengan hibridisasi sp dan dua orbital p. Orbital sp membentuk struktur linear, dan sudut di antara mereka ialah 180 ^o sepanjang paksi x. Orbital p yang lain berserenjang dengan paksi lain (y dan z). Apabila dua atom karbon dengan penghibridan sp bertindih, ini menyebabkan pertindihan hadapan yang membawa kepada pembentukan ikatan σ yang kuat (jenis sp-sp). Di samping itu, berlaku pertindihan sisi kedua-dua p _y – dan p _z -orbital, yang membentuk ikatan π (jenis p _y -p _y ) dan ikatan π (jenis p _z -p _z ) dalam susunan tertentu itu. Akibatnya, enam elektron dikongsi, yang membentuk ikatan C≡C tiga kali ganda. Orbital lain bagi hibrid sp membentuk ikatan-σ dengan atom hidrogen. Disebabkan penghibridan sp, etin ialah molekul linear dengan sudut ikatan HCC 180 ^o . Ikatan CH dalam asetilena mempunyai panjang 1.06Å dan tenaga 552 kJ/mol. Panjang ikatan itu lebih kecil dan tenaganya lebih tinggi berbanding ikatan tunggal dan berganda. Nilai ini ialah 1.20Å dan 835 kJ/mol, masing-masing. Ia adalah ikatan terpendek dan terkuat yang mungkin wujud antara atom karbon.

Hibridisasi atom lain

Konsep tiga jenis hibridisasi (sp, sp ² dan sp ³ ) boleh digunakan bukan sahaja dalam struktur yang mengandungi atom karbon. Unsur lain juga boleh diterangkan dalam molekul dengan penggunaan orbital hibrid.

1. Molekul ammonia (NH ₃ ) – atom nitrogen mempunyai lima elektron valens dan menghasilkan tiga ikatan atom, menghampiri oktet. Sudut ikatan HNH telah diukur secara eksperimen; ia bersamaan dengan 107.3 ^o , jadi ia hampir dengan sudut tetrahedral. Ini menunjukkan bahawa ammonia perlu dipertimbangkan dalam konteks sp ³ Atom nitrogen berhibrid dengan pembentukan empat sp ³ -orbital; satu daripadanya mempunyai dua elektron tidak berikatan, manakala setiap orbital lain mengandungi satu elektron ikatan. Pertindihan orbital hibrid dengan orbital 1s menghasilkan ikatan σ dengan panjang 1.008Å dan tenaga 449 kJ/mol.
2. Molekul air (H ₂ O) – atom oksigen juga menunjukkan sp ³ Walau bagaimanapun, ia mengandungi enam elektron valens, jadi ia membentuk dua ikatan atom, meninggalkan dua pasangan elektron bebas. Sudut ikatan HOH dalam molekul ialah 104.5 ^o , jadi ia juga serupa dengan sudut tetrahedral, yang mencadangkan penghibridan. Sebarang nilai sudut yang lebih rendah itu mungkin hasil daripada sebanyak dua pasangan elektron bebas, yang menolak satu sama lain. Ikatan OH ialah 0.958Å panjang dan 498 kJ/mol tenaga.
3. Molekul boron fluorida (BF ₃ ) – atom boron termasuk tiga elektron valens, jadi ia boleh menghasilkan hanya tiga ikatan tanpa mencapai oktet. Walau bagaimanapun, atom fluorin yang sedia ada membentuk ikatan BF dengannya, disusun secara spatial sejauh mungkin antara satu sama lain. Hasilnya ialah struktur trigonal molekul, dan sp ² Setiap tiga atom fluorin terikat dengan orbital hibridisasi boron, meninggalkan orbital pnya tidak terisi.