Гібридизація

Метан: гібридизація sp ³

Найпростішою органічною сполукою є молекула метану, яка містить один атом вуглецю. Його валентна оболонка має чотири електрони, тому він здатний утворювати чотири зв’язки, а в молекулі метану – з чотирма атомами водню. Спочатку передбачалося, що завдяки використанню двох типів орбіталей (2s і 2p) при утворенні зв’язків метан має два різних типи зв’язків CH. Проте подальші дослідження виявили дуже високу ймовірність того, що, незважаючи на ці припущення, кожен зв’язок CH, який існує в метані, ідентичний і просторово спрямований до кутів правильного тетраедра. На запитання, чому це так, відповів Лайнус Полінг. Він математично довів, як можлива гібридизація, тобто змішування s-орбіталі з трьома p-орбіталями. Це викликає утворення чотирьох еквівалентних атомних орбіталей, просторова геометрія яких має форму тетраедра. Цей тип гібридизації називається sp ³ . Сам термін «гібридизація» логічно пояснює, як саме різні орбіталі змішуються одна з одною, але він не дає відповіді на питання, чому насправді відбуваються такі перетворення. Однак це теж можна пояснити. Коли s-орбіталь гібридизується, вона змішується з трьома p-орбіталями, і отримані гібридизовані орбіталі не розташовані симетрично по відношенню до ядра. Це тому, що створена sp ³ -орбіталь виявляється має одну меншу та одну більшу петлю. Останній, будучи набагато більшим, значно краще перекривається з орбіталлю іншого атома під час утворення зв’язку. У результаті орбіталі або такий гібрид sp ³ створюють зв’язки, які набагато міцніші порівняно з негібридизованими s- та p-орбіталями.

Механізм sp ³ гібридизації

sp ³ -орбіталі мають асиметрію, яка пов’язана з хвильовим рівнянням, що визначає p-орбіталі; як наслідок, дві петлі мають протилежні знаки: плюс і мінус. Через цю характеристику та перекривання p- і s-орбіталей одна з p-орбіталей є адитивною, тоді як інша віднімає s-орбіталь. У результаті ці петлі додаються або віднімаються від s-орбіталі, яка утворює гібридну орбіталь, сильно орієнтовану в одному напрямку. Коли ідентичні орбіталі атома вуглецю з гібридизацією sp ³ перекриваються з 1s-орбіталями чотирьох атомів водню, результуючі CH-зв’язки є ідентичними. У метані їх енергія зв’язку становить 438 кДж/моль, а довжина — до 1,10Å. Це характерні значення, фіксовані для певного зв’язку в цій молекулі. Іншою характеристикою геометрії цієї молекули є кут зв’язку. Він визначає кут, що утворюється між двома послідовними зв’язками ГХГ і дорівнює рівно 109,5 ^o . Ми називаємо це чотиригранним кутом.

Етан: гібридизація sp ³

Інша сполука, яку можна розглядати таким же чином, – це етан, який містить зв’язок між вуглецями (CC). Наявні в його структурі атоми вуглецю зв’язуються один з одним в результаті перекривання σ-орбіталей в sp ³ гібриді кожного з них. Інші три гібридизовані орбіталі кожного атома вуглецю перекриваються з 1s-орбіталями атомів водню. Це створює шість ідентичних зв’язків CH. Такі зв’язки характеризуються енергією 420 кДж/моль. Енергія СС-зв’язків становить 276 кДж/моль, а довжина — 1,54 Å. Кути, утворені в такій конфігурації, є чотиригранними (109,5 ^o ).

Етилен: гібридизація sp ²

Найпоширенішим електронним станом для вуглецю є гібридизація ^sp3 , але є й інші варіанти. Дослідження виявили, що в етилені, наприклад, атоми вуглецю демонструють відповідну кількість зв’язків, лише якщо вони з’єднуються один з одним, щоб розділити чотири електрони. Потім вони утворюють подвійний зв’язок між собою. Іншим фактом є те, що етилен має плоску структуру, а кути між його зв’язками становлять 120 ^o . Це тому, що в цьому випадку 2s-орбіталь змішується лише з двома з трьох існуючих 2p-орбіталей. Результатом є наявність трьох гібридних орбіталей, які називаються sp ² . Існує також одна 2p-орбіталь, яка не є гібридизованою. Тоді геометрична структура виглядає наступним чином: три гібридизовані орбіталі розташовані в одній площині під кутом 120 ^o одна до одної, а негібридизована p-орбіталь перпендикулярна до площини sp ² .

Механізм sp ² гібридизації

В результаті перекривання sp ² -sp ² орбіталей два атоми вуглецю з sp ² гібридизацією утворюють σ-зв’язок. Негібридизовані p-орбіталі атомів перекриваються латерально одна з одною, що спричиняє утворення π-зв’язку. У такому зв’язку ділянки електронної густини присутні по обидва боки лінії між ядрами, але не безпосередньо між ними. Така конфігурація, яка містить σ-зв’язок гібриду sp ² і π-зв’язок негібридизованих атомів, призводить до того, що чотири електрони поділяються двома атомами вуглецю, таким чином утворюючи подвійний зв’язок C=C. Таким чином, структура етилену містить чотири атоми водню, які утворюють σ-зв’язок з чотирма sp ² -орбіталями, які залишаються після утворення подвійного зв’язку. Молекула має плоску геометрію, а кути зв’язку становлять приблизно 120 ^o . Величини, специфічні для зв’язку CH, це довжина 1,076 Å та енергія 444 кДж/моль. Оскільки спільними є лише два електрони, а не чотири (на відміну, наприклад, від структури етану), подвійний зв’язок C=C коротший і міцніший, ніж одинарний зв’язок CC. У етилену він має довжину 1,33Å і енергію 611 кДж/моль. За допомогою теорії молекулярних орбіталей ми також можемо помітити, що комбінація двох атомних p-орбіталей утворює зв’язувальні та антизв’язувальні молекулярні π-орбіталі. Орбіталь зв’язку не має вузла між ядрами через адитивну комбінацію p-петлі з однаковим алгебраїчним знаком. Навпаки, антизв’язувальна орбіталь має вузол між ядрами через субтрактивний ефект петлі з різними алгебраїчними знаками. Як наслідок, заповнюється лише менш енергетична сполучна молекулярна орбіталь.

Ацетилен: sp гібридизація

Інша можливість з’єднання між атомами вуглецю полягає в утворенні потрійного зв’язку з шістьма спільними електронами. Для цього нам потрібно запровадити іншу орбітальну гібридизацію, яка називається sp-гібридизацією. У цій конфігурації 2s-орбіталь атома вуглецю змішується лише з однією p-орбіталлю. Це призводить до утворення двох орбіталей з sp-гібридизацією та двох p-орбіталей. Sp-орбіталі утворюють лінійну структуру, а кут між ними дорівнює 180 ^o по осі x. Інші p-орбіталі перпендикулярні до інших осей (y і z). Коли два атоми вуглецю з sp-гібридизацією перекриваються, це спричиняє фронтальне перекривання, що призводить до утворення сильного σ-зв’язку (тип sp-sp). Крім того, відбувається латеральне перекривання як p _y -, так і p _z -орбіталей, що утворює π-зв’язки (тип p _y -p _y ) і π-зв’язки (тип p _z -p _z ) у цьому конкретному порядку. У результаті розподіляються шість електронів, які утворюють потрійний зв’язок C≡C. Інші орбіталі sp-гібридів утворюють σ-зв’язки з атомами водню. Завдяки sp-гібридизації етин є лінійною молекулою з кутами зв’язку HCC 180 ^o . Зв’язок СН в ацетилені має довжину 1,06 Å і енергію 552 кДж/моль. Довжина цього зв’язку менша, а його енергія вища порівняно з одинарними та подвійними зв’язками. Ці значення становлять 1,20 Å і 835 кДж/моль відповідно. Це найкоротший і найміцніший зв’язок, який може існувати між атомами вуглецю.

Гібридизація інших атомів

Концепції трьох типів гібридизації (sp, sp ² і sp ³ ) застосовні не тільки в структурах, які містять атоми вуглецю. Інші елементи також можна описати в молекулах за допомогою гібридних орбіталей.

1. Молекула аміаку (NH ₃ ) – атом азоту має п’ять валентних електронів і утворює три атомні зв’язки, що наближаються до октету. Валентний кут HNH було виміряно експериментально; він дорівнює 107,3 ^​​o , тому близький до чотиригранного кута. Це свідчить про те, що аміак слід розглядати в контексті sp ³ Атом азоту гібридизується з утворенням чотирьох sp ³ -орбіталей; одна з них має два незв’язуючих електрони, тоді як кожна інша орбіталь містить один зв’язуючий електрон. Перекривання гібридизованих орбіталей з 1s-орбіталями створює σ-зв’язок довжиною 1,008Å і енергією 449 кДж/моль.
2. Молекула води (H ₂ O) – атом кисню також показує sp ^3. Однак вона містить шість валентних електронів, тому утворює два атомні зв’язки, залишаючи дві вільні електронні пари. Кут зв’язку HOH у молекулі становить 104,5 ^o , тому він також подібний до тетраедричного кута, що свідчить про гібридизацію. Будь-яке значення цього кута, яке є меншим, ймовірно, є результатом двох вільних електронних пар, які відштовхують одна одну. Довжина зв’язку ОН становить 0,958Å, а енергія — 498 кДж/моль.
3. Молекула фториду бору (BF ₃ ) – атом бору містить три валентні електрони, тому він може утворювати лише три зв’язки, не досягаючи октету. Однак існуючі атоми фтору утворюють з ним зв’язки BF, просторово розташовані якомога далі один від одного. Результатом є тригональна структура молекули, і sp ² Кожен з трьох атомів фтору зв’язується з гібридизованою орбіталлю бору, залишаючи його р-орбіталь незаповненою.