Hybridizácia

Metán: hybridizácia ^sp3

Najjednoduchšou organickou zlúčeninou je molekula metánu, ktorá obsahuje jeden atóm uhlíka. Jeho valenčný obal má štyri elektróny, takže je schopný vytvárať štyri väzby a v molekule metánu – so štyrmi atómami vodíka. Pôvodne sa predpokladalo, že v dôsledku použitia dvoch typov orbitálov (2s a 2p) pri vytváraní väzieb má metán dva rôzne typy väzieb CH. Ďalší výskum však odhalil veľmi vysokú pravdepodobnosť, že napriek týmto predpokladom je každá väzba CH v metáne identická a priestorovo nasmerovaná k rohom pravidelného štvorstenu. Na otázku, prečo je to tak, odpovedal Linus Pauling. Matematicky dokázal, ako je možná hybridizácia, teda zmiešanie s-orbitálu s tromi p-orbitálmi. To spôsobí vytvorenie štyroch ekvivalentných atómových orbitálov, ktorých priestorová geometria má tvar štvorstenu. Tento typ hybridizácie sa nazýva ^sp3 . Samotný termín „hybridizácia“ logicky vysvetľuje, ako presne sa rôzne orbitály navzájom miešajú, ale neodpovedá na otázku, prečo k takýmto transformáciám vlastne dochádza. Aj to sa však dá vysvetliť. Keď s-orbitál hybridizuje, zmieša sa s tromi p-orbitálmi a výsledné hybridizované orbitály nie sú usporiadané symetricky vo vzťahu k jadru. Je to preto, že vytvorený sp ³ -orbitál má jednu menšiu a jednu väčšiu slučku. Ten, ktorý je oveľa väčší, sa pri vytváraní väzby podstatne lepšie prekrýva s orbitálom iného atómu. Výsledkom je, že orbitály alebo taký sp ³ hybrid vytvárajú väzby, ktoré sú oveľa silnejšie v porovnaní s nehybridizovanými s- a p-orbitálmi.

Mechanizmus hybridizácie ^sp3

Sp3 ^– orbitály sa vyznačujú asymetriou, ktorá súvisí s vlnovou rovnicou definujúcou p-orbitály; v dôsledku toho majú dve slučky opačné znamienka: plus a mínus. Kvôli tejto charakteristike a prekrývaniu p- a s-orbitálov je jedna z p-orbitálnych slučiek aditívna, zatiaľ čo druhá je subtraktívna s s-orbitálom. V dôsledku toho sú tieto slučky pridané alebo odčítané od s-orbitálu, ktorý tvorí hybridizovaný orbitál, ktorý je silne orientovaný v jednom smere. Keď sa identické orbitály atómu uhlíka s hybridizáciou sp ³ prekrývajú s 1s-orbitálmi štyroch atómov vodíka, výsledné väzby CH sú identické. V metáne je ich väzbová energia 438 kJ/mol a ich dĺžka je až 1,10 Á. Toto sú charakteristické hodnoty, ktoré sú fixné pre konkrétnu väzbu v tejto molekule. Ďalšou charakteristikou geometrie tejto molekuly je väzbový uhol. Určuje uhol, ktorý zvierajú dve po sebe idúce väzby HCH a rovná sa presne 109,5 ^o . Hovoríme tomu štvorstenný uhol.

Etán: hybridizácia sp ³

Ďalšou zlúčeninou, o ktorej možno uvažovať rovnakým spôsobom, je etán, ktorý obsahuje väzbu medzi uhlíkmi (CC). Atómy uhlíka existujúce v jeho štruktúre sa navzájom spájajú v dôsledku prekrývajúcich sa σ-orbitálov v hybride sp ³ každého z nich. Ďalšie tri hybridizované orbitály každého atómu uhlíka sa prekrývajú s 1s-orbitálmi atómov vodíka. Vznikne tak šesť rovnakých CH väzieb. Takéto väzby sa vyznačujú energiou 420 kJ/mol. CC väzby majú energiu 276 kJ/mol a dĺžku 1,54 Á. Uhly vytvorené v takejto konfigurácii sú štvorstenné (109,5 ^o ).

Etylén ^: hybridizácia sp2

Najbežnejším elektrónovým stavom uhlíka je hybridizácia sp ³ , existujú však aj iné varianty. Výskum odhalil, že napríklad v etyléne atómy uhlíka vykazujú primerané množstvo väzieb iba vtedy, ak sa navzájom spájajú a zdieľajú štyri elektróny. Potom medzi sebou vytvoria dvojitú väzbu. Ďalším faktom je, že etylén má plochú štruktúru a uhly medzi jeho väzbami sú 120 ^° . Je to preto, že v tomto prípade sa 2s-orbitál mieša iba s dvoma z troch existujúcich 2p-orbitálov. Výsledkom je prítomnosť troch hybridizovaných orbitálov, ktoré sa nazývajú sp2 ^. Existuje aj jeden 2p-orbitál, ktorý nie je hybridizovaný. Potom je geometrická štruktúra nasledovná: tri hybridizované orbitály sú umiestnené v tej istej rovine, pri 120 ^° voči sebe, zatiaľ čo nehybridizovaný p-orbitál je kolmý na rovinu sp2 ^.

Mechanizmus hybridizácie ^sp2

V dôsledku prekrývania orbitálov sp2 ^– sp2 ^dva atómy uhlíka s hybridizáciou sp2 vytvoria σ ^– väzbu. Nehybridizované p-orbitály atómov sa navzájom laterálne prekrývajú, čo spôsobuje vytvorenie π-väzby. V takejto väzbe sú oblasti elektrónovej hustoty prítomné na oboch stranách čiary medzi jadrami, aj keď nie priamo medzi nimi. Takáto konfigurácia, ktorá obsahuje σ ^– väzbu hybridu sp2 a π-väzbu nehybridizovaných atómov, vedie k tomu, že štyri elektróny sú zdieľané dvoma atómami uhlíka, takže vzniká dvojitá väzba C=C. Preto štruktúra etylénu obsahuje štyri atómy vodíka, ktoré tvoria σ-väzbu so štyrmi sp2 ^– orbitálmi, ktoré zostanú po vytvorení dvojitej väzby. Molekula má plochú geometriu a väzbové uhly sú približne 120 ^° . Hodnoty špecifické pre väzbu CH sú dĺžka 1,076 Á a energia 444 kJ/mol. Pretože sú zdieľané iba dva elektróny, nie štyri (na rozdiel napríklad od štruktúry etánu), dvojitá väzba C=C je kratšia a silnejšia ako jednoduchá väzba CC. V etyléne má dĺžku 1,33 Á a energiu 611 kJ/mol. S teóriou molekulových orbitálov môžeme tiež pozorovať, že kombinácia dvoch atómových p-orbitálov vytvára väzbové a antiväzbové molekulové π-orbitály. Väzbový orbitál nemá uzol medzi jadrami v dôsledku aditívnej kombinácie p-slučky s rovnakým algebraickým znamienkom. Naopak, antiväzbový orbitál má medzi jadrami uzol v dôsledku subtraktívneho efektu slučky s rôznymi algebraickými znamienkami. V dôsledku toho sa naplní iba menej energetický, väzbový molekulárny orbitál.

Acetylén: sp hybridizácia

Ďalšou možnosťou spojenia medzi atómami uhlíka je vytvorenie trojitej väzby so šiestimi zdieľanými elektrónmi. Na tento účel musíme zaviesť ďalšiu orbitálnu hybridizáciu, nazývanú sp hybridizácia. V tejto konfigurácii sa 2s-orbitál atómu uhlíka mieša iba s jediným p-orbitálom. To vedie k vytvoreniu dvoch orbitálov s hybridizáciou sp a dvoch p-orbitálov. Sp-orbitály tvoria lineárnu štruktúru a uhol medzi nimi je 180 ^o pozdĺž osi x. Ostatné p-orbitály sú kolmé na ostatné osi (y a z). Keď sa dva atómy uhlíka s hybridizáciou sp prekrývajú, spôsobí to čelné prekrytie, ktoré vedie k vytvoreniu silnej σ-väzby (typ sp-sp). Okrem toho dochádza k laterálnemu prekrývaniu oboch orbitálov p _y- a pz, čo vytvára π-väzby (typ p _{y –} p _y ) a π-väzby (typ _pz – _pz ) v tomto konkrétnom poradí. Výsledkom je zdieľanie šiestich elektrónov, ktoré tvoria trojitú väzbu C≡C. Ostatné orbitály sp hybridov tvoria σ-väzby s atómami vodíka. Vďaka sp hybridizácii je etín lineárnou molekulou s HCC väzbovým uhlom 180 ^° . CH väzba v acetyléne má dĺžku 1,06 Á a energiu 552 kJ/mol. Dĺžka tejto väzby je menšia a jej energia je vyššia v porovnaní s jednoduchými a dvojitými väzbami. Tieto hodnoty sú 1,20 Á a 835 kJ/mol. Je to najkratšia a najsilnejšia väzba, ktorá môže existovať medzi atómami uhlíka.

Hybridizácia iných atómov

Koncepty troch typov hybridizácie (sp, sp ² a sp ³ ) sú použiteľné nielen v štruktúrach, ktoré obsahujú atómy uhlíka. Ďalšie prvky môžu byť tiež opísané v molekulách s použitím hybridizovaných orbitálov.

1. Molekula amoniaku (NH ₃ ) – atóm dusíka má päť valenčných elektrónov a vytvára tri atómové väzby, blížiace sa k oktetu. Uhol väzby HNH bol meraný experimentálne; rovná sa 107,3 ^o , takže je blízko štvorstenného uhla. To naznačuje, že amoniak by sa mal brať do úvahy v kontexte ^sp3 . Atóm dusíka hybridizuje s tvorbou štyroch ^sp3 -orbitálov; jeden z nich má dva neväzbové elektróny, zatiaľ čo každý druhý orbitál obsahuje jeden väzbový elektrón. Prekrytie hybridizovaných orbitálov s 1s-orbitálmi vytvára σ-väzbu s dĺžkou 1,008 Á a energiou 449 kJ/mol.
2. Molekula vody (H ₂ O) – atóm kyslíka vykazuje aj sp ³ Obsahuje však šesť valenčných elektrónov, preto vytvára dve atómové väzby, pričom zostávajú dva voľné elektrónové páry. Uhol väzby HOH v molekule je 104,5 ^o , takže je tiež podobný tetraedrickému uhlu, čo naznačuje hybridizáciu. Akákoľvek hodnota tohto uhla, ktorá je nižšia, je pravdepodobne výsledkom až dvoch voľných elektrónových párov, ktoré sa navzájom odtláčajú. OH väzba má dĺžku 0,958 Á a energiu 498 kJ/mol.
3. Molekula fluoridu boritého (BF ₃ ) – atóm bóru obsahuje tri valenčné elektróny, takže môže vytvoriť iba tri väzby bez toho, aby dosiahol oktet. Existujúce atómy fluóru s ním však vytvárajú BF väzby, priestorovo usporiadané čo najďalej od seba. Výsledkom je trigonálna štruktúra molekuly a sp ² Každý z troch atómov fluóru sa viaže s hybridizovaným orbitálom bóru, pričom jeho p-orbitál zostáva nevyplnený.