ไฮบริไดเซชัน

มีเทน: sp ³ ไฮบริด

สารประกอบอินทรีย์ที่ง่ายที่สุดคือโมเลกุลของมีเทนซึ่งมีคาร์บอนหนึ่งอะตอม เปลือกเวเลนต์ของมันมีอิเล็กตรอนสี่ตัว ดังนั้นมันจึงสามารถสร้างพันธะได้สี่พันธะ และในโมเลกุลมีเธน – มีไฮโดรเจนสี่อะตอม ในขั้นต้นสันนิษฐานว่าเนื่องจากการใช้ออร์บิทัลสองประเภท (2s และ 2p) ในขณะที่สร้างพันธะ มีเทนจึงมีพันธะ CH สองประเภทที่แตกต่างกัน อย่างไรก็ตาม การวิจัยเพิ่มเติมเผยให้เห็นความเป็นไปได้ที่สูงมาก แม้ว่าจะมีสมมติฐานเหล่านี้ พันธะ CH แต่ละพันธะที่มีอยู่ในมีเทนจะเหมือนกันและมุ่งตรงไปที่มุมของจัตุรมุขปกติ Linus Pauling เป็นผู้ตอบคำถามว่าเหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น เขาได้พิสูจน์ทางคณิตศาสตร์ว่าการผสมระหว่าง s-orbital กับ 3 p-orbitals เป็นไปได้อย่างไร สิ่งนี้ทำให้เกิดการก่อตัวของวงโคจรของอะตอมที่เท่ากันสี่วงซึ่งรูปทรงเรขาคณิตเชิงพื้นที่มีรูปร่างของจัตุรมุข การผสมข้ามพันธุ์แบบนี้เรียกว่า sp ³ คำว่า "การผสมพันธ์ุ" อธิบายอย่างมีเหตุผลว่าวงโคจรที่แตกต่างกันผสมกันอย่างไร แต่ก็ไม่ได้ตอบคำถามว่าทำไมการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวจึงเกิดขึ้นจริง อย่างไรก็ตามสิ่งนี้สามารถอธิบายได้เช่นกัน เมื่อ s-orbital ไฮบริไดซ์ มันจะผสมกับ p-orbitals สามตัว และผลลัพธ์ที่ได้นั้นไม่ได้ถูกจัดเรียงอย่างสมมาตรเมื่อเทียบกับนิวเคลียส นี่เป็นเพราะ sp ³ -orbital ที่สร้างขึ้นมีวงที่เล็กกว่าและใหญ่กว่าหนึ่งวง หลังมีขนาดใหญ่กว่ามาก ทับซ้อนกับวงโคจรของอะตอมอื่นได้ดีกว่ามากในขณะที่เกิดพันธะ เป็นผลให้ออร์บิทัลหรือ sp ³ ไฮบริดดังกล่าวสร้างพันธะที่แข็งแรงกว่ามากเมื่อเทียบกับออร์บิทัล s และ p ที่ไม่ได้ผสม

กลไกการผสมพันธุ์ sp ³

sp ³ -orbitals มีลักษณะอสมมาตรที่เกี่ยวข้องกับสมการคลื่นที่กำหนด p-orbitals; เป็นผลให้ทั้งสองวงมีเครื่องหมายตรงกันข้าม: บวกและลบ เนื่องจากคุณลักษณะดังกล่าวและการซ้อนทับกันของ p- และ s-orbital วง p-orbital วงหนึ่งจึงเป็นแบบบวก ในขณะที่อีกวงหนึ่งหักด้วย s-orbital ด้วยเหตุนี้ ลูปเหล่านี้จึงถูกเพิ่มหรือลบออกจาก s-orbital ซึ่งก่อตัวเป็นออร์บิทัลแบบผสมที่มีทิศทางอย่างแรงในทิศทางเดียว เมื่อออร์บิทัลที่เหมือนกันของอะตอมคาร์บอนด้วยการไฮบริไดเซชัน sp ³ ซ้อนทับกับออร์บิทัล 1s ของอะตอมไฮโดรเจน 4 อะตอม พันธะ CH ที่เกิดจะเหมือนกัน ในก๊าซมีเทน พลังงานพันธะของพวกมันคือ 438 กิโลจูล/โมล และความยาวของพวกมันสูงถึง 1.10Å ค่าเหล่านี้เป็นค่าลักษณะเฉพาะที่คงที่สำหรับพันธะเฉพาะในโมเลกุลนั้น ลักษณะพิเศษอีกประการหนึ่งของรูปทรงเรขาคณิตของโมเลกุลนั้นคือมุมพันธะ กำหนดมุมที่เกิดขึ้นระหว่างสองพันธะ HCH ที่ต่อเนื่องกัน และเท่ากับ 109.5 ^o เราเรียกว่ามุมจัตุรมุข

อีเทน: sp ³ ไฮบริไดเซชัน

สารประกอบอีกชนิดหนึ่งที่สามารถพิจารณาในลักษณะเดียวกันคืออีเทน ซึ่งมีพันธะระหว่างคาร์บอน (CC) อะตอมของคาร์บอนที่มีอยู่ในโครงสร้างของมันเชื่อมโยงซึ่งกันและกันอันเป็นผลมาจากการทับซ้อนของออร์บิทัล σ-ออร์บิทัลในลูกผสม sp ³ ของแต่ละอะตอม วงโคจรไฮบริดอีกสามวงของอะตอมของคาร์บอนแต่ละอะตอมซ้อนทับกับวงโคจร 1s ของอะตอมไฮโดรเจน สิ่งนี้สร้างพันธบัตร CH ที่เหมือนกันหกรายการ พันธะดังกล่าวมีพลังงาน 420 กิโลจูลต่อโมล พันธะ CC มีพลังงาน 276 kJ/mol และความยาว 1.54Å มุมที่เกิดขึ้นในรูปแบบดังกล่าวคือ tetrahedral (109.5 ^o )

เอทิลีน: sp ² ไฮบริไดเซชัน

สถานะอิเล็กตรอนที่พบมากที่สุดสำหรับคาร์บอนคือการผสมแบบ sp ³ แต่ก็ยังมีตัวแปรอื่นๆ การวิจัยได้เปิดเผยว่าในเอธิลีน ตัวอย่างเช่น อะตอมของคาร์บอนจะแสดงพันธะในปริมาณที่เหมาะสมก็ต่อเมื่อพวกมันเชื่อมต่อกันเพื่อแบ่งอิเล็กตรอนสี่ตัว จากนั้นพวกเขาก็สร้างพันธะคู่ระหว่างกัน ความจริงอีกประการหนึ่งก็คือเอทิลีนมีโครงสร้างที่เรียบ และมุมระหว่างพันธะคือ 120 ^o . นี่เป็นเพราะในกรณีนี้ 2s-orbital ผสมกับ 2p-orbital เพียงสองในสามที่มีอยู่ ผลที่ได้คือมีออร์บิทัลไฮบริดสามวงซึ่งเรียกว่า sp ² นอกจากนี้ยังมีออร์บิทัล 2p หนึ่งวงซึ่งไม่ได้ถูกผสม จากนั้นโครงสร้างทางเรขาคณิตจะเป็นดังนี้: ออร์บิทัลลูกผสมสามวงอยู่บนระนาบเดียวกันที่ 120 ^o ถึงอีกอันหนึ่ง ในขณะที่ p-ออร์บิทัลที่ไม่ได้เป็นลูกผสมนั้นตั้งฉากกับระนาบ sp ²

กลไกการผสมพันธุ์ sp ²

อันเป็นผลมาจากการซ้อนทับกันของ sp ² -sp ² ออร์บิทัล คาร์บอนสองอะตอมที่มี sp ² ไฮบริไดเซชันก่อตัวเป็นพันธะ σ p-orbitals ที่ไม่ใช่แบบไฮบริดของอะตอมจะซ้อนทับกันในแนวขวาง ซึ่งทำให้เกิดพันธะ π ในพันธะดังกล่าว พื้นที่ของความหนาแน่นของอิเล็กตรอนมีอยู่ทั้งสองด้านของเส้นแบ่งระหว่างนิวเคลียส แม้ว่าจะไม่ใช่ระหว่างนิวเคลียสโดยตรง โครงร่างดังกล่าวซึ่งประกอบด้วยพันธะ σ ของพันธะ sp ² และพันธะ π ของอะตอมที่ไม่เป็นลูกผสม นำไปสู่การใช้อิเล็กตรอนสี่ตัวร่วมกันโดยอะตอมของคาร์บอนสองอะตอม เพื่อสร้างพันธะคู่ C=C ดังนั้นโครงสร้างของเอทิลีนจึงประกอบด้วยอะตอมของไฮโดรเจน 4 อะตอม ซึ่งก่อตัวเป็นพันธะ σ ที่มี sp ² ออร์บิทัล 4 ออร์บิทัล ซึ่งยังคงอยู่เมื่อสร้างพันธะคู่แล้ว โมเลกุลมีรูปทรงเรขาคณิตแบน และมุมพันธะประมาณ 120 ^o ค่าเฉพาะของพันธะ CH คือความยาว 1.076Å และพลังงาน 444 กิโลจูล/โมล เนื่องจากมีอิเล็กตรอนเพียงสองตัวเท่านั้นที่ใช้ร่วมกัน ไม่ใช่สี่ตัว (ไม่เหมือนกับในโครงสร้างของอีเทน) พันธะคู่ C=C จึงสั้นกว่าและแข็งแรงกว่าพันธะ CC เดี่ยว ในเอทิลีนมีความยาว 1.33Å และพลังงาน 611 กิโลจูล/โมล ด้วยทฤษฎีของออร์บิทัลระดับโมเลกุล เราสามารถสังเกตได้ว่าการรวมกันของออร์บิทัลเชิงอะตอมสองอะตอมก่อตัวสร้างพันธะและแอนติบอดีของออร์บิทัลระดับโมเลกุล π-ออร์บิทัล ออร์บิทัลพันธะไม่มีโหนดระหว่างนิวเคลียสเนื่องจากการรวมกันของ p-loop ที่มีเครื่องหมายพีชคณิตเหมือนกัน ในทางตรงกันข้าม ออร์บิทัลแบบแอนติบอดีมีโหนดระหว่างนิวเคลียสเนื่องจากผลลบของลูปที่มีสัญญาณพีชคณิตต่างกัน ผลที่ตามมาคือมีเพียงออร์บิทัลโมเลกุลที่มีพันธะและมีพลังน้อยกว่าเท่านั้นที่จะถูกเติมเต็ม

อะเซทิลีน: sp ไฮบริไดเซชัน

ความเป็นไปได้อีกประการหนึ่งของการเชื่อมโยงระหว่างอะตอมของคาร์บอนคือการสร้างพันธะสามด้วยอิเล็กตรอน 6 ตัวที่ใช้ร่วมกัน เพื่อจุดประสงค์นี้ เราจำเป็นต้องแนะนำการผสมข้ามวงโคจรแบบอื่นที่เรียกว่า sp ไฮบริด ในการกำหนดค่านี้ ออร์บิทัล 2s ของอะตอมคาร์บอนจะผสมกับ p-ออร์บิทัลเดียวเท่านั้น สิ่งนี้นำไปสู่การก่อตัวของสองออร์บิทัลที่มี sp ไฮบริไดเซชันและสองออร์บิทัล p sp-orbitals ก่อตัวเป็นโครงสร้างเชิงเส้น และมุมระหว่างพวกมันคือ 180 ^o ตามแกน x p-orbitals อื่นตั้งฉากกับแกนอื่น (y และ z) เมื่ออะตอมของคาร์บอนสองอะตอมที่มี sp ไฮบริไดเซชันซ้อนทับกัน จะทำให้เกิดการทับซ้อนกันของส่วนหน้าซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของพันธะ σ-bond (ชนิด sp-sp) ที่แข็งแรง นอกจากนี้ ยังเกิดการซ้อนทับด้านข้างของทั้ง p _y – และ p _z -orbitals ซึ่งก่อตัวเป็นพันธะ π (ชนิด p _y -p _y ) และพันธะ π (ชนิด p _z -p _z ) ในลำดับนั้นๆ เป็นผลให้มีการแบ่งปันอิเล็กตรอน 6 ตัวซึ่งก่อตัวเป็นพันธะสาม C≡C ออร์บิทัลอื่นของ sp ไฮบริดสร้างพันธะ σ กับอะตอมของไฮโดรเจน เนื่องจากการผสมพันธุ์แบบ sp เอทีนจึงเป็นโมเลกุลเชิงเส้นที่มีมุมพันธะ HCC ที่ 180 ^o พันธะ CH ในอะเซทิลีนมีความยาว 1.06Å และพลังงาน 552 กิโลจูล/โมล ความยาวของพันธะนั้นน้อยกว่าและพลังงานของมันสูงกว่าเมื่อเทียบกับพันธะเดี่ยวและพันธะคู่ ค่าเหล่านี้คือ 1.20Å และ 835 กิโลจูล/โมล ตามลำดับ เป็นพันธะที่สั้นและแข็งแรงที่สุดระหว่างอะตอมของคาร์บอน

การผสมพันธุ์ของอะตอมอื่น

แนวคิดของการไฮบริไดเซชันสามประเภท (sp, sp ² และ sp ³ ) ใช้ได้ไม่เฉพาะในโครงสร้างที่มีอะตอมของคาร์บอนเท่านั้น องค์ประกอบอื่นๆ ยังสามารถอธิบายได้ในโมเลกุลด้วยการใช้ออร์บิทัลแบบไฮบริด

1. โมเลกุลแอมโมเนีย (NH ₃ ) – อะตอมของไนโตรเจนมีเวเลนต์อิเล็กตรอน 5 ตัวและสร้างพันธะอะตอม 3 พันธะ ซึ่งเข้าใกล้ออคเตต มุมพันธะ HNH ได้รับการวัดจากการทดลอง มันเท่ากับ 107.3 ^o ดังนั้นจึงใกล้กับมุมจัตุรมุข สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าควรพิจารณา แอมโมเนีย ในบริบทของ sp ³ อะตอมของไนโตรเจนผสมกับการก่อตัวของ sp ³ -orbitals สี่วง; หนึ่งในนั้นมีอิเล็กตรอนที่ไม่สร้างพันธะ 2 ตัว ในขณะที่ออร์บิทัลอื่น ๆ ทุกออร์บิทัลมีอิเล็กตรอนที่มีพันธะอยู่ 1 ตัว การซ้อนทับกันของออร์บิทัลแบบไฮบริดที่มีออร์บิทัลแบบ 1s ทำให้เกิดพันธะ σ ที่มีความยาว 1.008Å และพลังงาน 449 กิโลจูล/โมล
2. โมเลกุลของน้ำ (H ₂ O) – อะตอมของออกซิเจนยังแสดง sp ³ อย่างไรก็ตาม มันมีเวเลนต์อิเล็กตรอนหกตัว ดังนั้นมันจึงสร้างพันธะอะตอมสองพันธะ ทำให้เหลือคู่อิเล็กตรอนอิสระสองคู่ มุมพันธะ HOH ในโมเลกุลคือ 104.5 ^o ดังนั้นจึงคล้ายกับมุมเตตระฮีดรัล ซึ่งแสดงถึงการผสมข้ามพันธุ์ ค่าใด ๆ ของมุมที่ต่ำกว่านั้นอาจเป็นผลมาจากคู่อิเล็กตรอนอิสระมากถึงสองคู่ซึ่งผลักกันออกไป พันธะ OH มีความยาว 0.958Å และพลังงาน 498 กิโลจูล/โมล
3. โมเลกุลของโบรอนฟลูออไรด์ (BF ₃ ) – อะตอมของโบรอนประกอบด้วยเวเลนซ์อิเล็กตรอนสามตัว ดังนั้นมันจึงสามารถสร้างพันธะได้เพียงสามพันธะโดยไม่ต้องถึงออกเตต อย่างไรก็ตาม อะตอมที่มีอยู่ของฟลูออรีนสร้างพันธะ BF กับมัน โดยจัดเรียงตัวห่างกันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ผลที่ได้คือโครงสร้างตรีโกณมิติของโมเลกุล และ sp ² แต่ละอะตอมของฟลูออรีนสามอะตอมสร้างพันธะกับออร์บิทัลไฮบริดของโบรอน ทำให้ p-ออร์บิทัลไม่ถูกเติมเต็ม