Хибридизација орбитала

Хибридизација је концепт мешања атомских орбитала при чему се формирају нове хибридне орбитале.^[1] Хибридне орбитале су корисне за објашњење и описивање геометријског облика молекула.^[2][3]

а

Четири ³ орбитале.

Три ² орбитале.

При мијешању и орбитала, долази до помијерања центра наелектрисања електронског облака у односу на орбиталу.

Историјат

Теорију хибридизације је први предложио хемичар Линус Паулинг како би објаснио структуру молекула као што је метан.^[4] Према теорији и методи валентне везе, геометријски облик молекула и усмјереност веза у простору посљедица је преклапања атомских орбитала које је утолико повољније уколико може достићи максималну вриједност. Полазећи од електронске конфигурације некада је тешко објаснити усмјереност веза у простору. За описивање структуре таквих молекула користи се концепт хибридизације. Хибридизација није неопходна за описивање свих молекула, него углавном налази примјену за описивање геометријског облика молекула који садрже угљеник, азот, кисеоник и фосфор.

Врсте хибридизације

Хибридизација према броју модификованих атомских орбитала у угљениковом атому може бити:

1. тетраедарска хибридизација - sp3 ( засићена органска једињења )
2. тригонална - sp2 ( незасићена органска једињења са двогубом везом )
3. дигонална - sp ( незасићена органска једињења са трогубом везом )

3 хибридизација

Примјер ³ хибридизације је молекул метана , који има тетраедарски облик.

Атом угљеника у основном стању има конфигурацију:

${\displaystyle C\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \downarrow }{2s}}\;{\frac {\uparrow \,}{2p_{x}}}\;{\frac {\uparrow \,}{2p_{y}}}\;{\frac {\,\,}{2p_{z}}}}$

Од четири валентна електрона угљеника два се налазе под правим углом(у двије орбитале) а друга два се налазе у орбитали те немају никакво усмјерење у простору, док су у молекулу метана валенце метана усмјерене тетраедарски у простору.

Угљеников атом при сједињавању најприје прелази у стање промоције (тј. један електрон прелази у празну орбиталу):

${\displaystyle C^{*}\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \,}{2s}}\;{\frac {\uparrow \,}{2p_{x}}}{\frac {\uparrow \,}{2p_{y}}}{\frac {\uparrow \,}{2p_{z}}}}$

Након тога долази до хибридизације, тј. до укрштања или мијешања једне и три орбитале (). При томе настају четири једнаке орбитале усмјерене ка тјеменима тетраедра у простору. Ове орбитале се називају ³ орбитале.

${\displaystyle C^{*}\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp^{3}}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp^{3}}}{\frac {\uparrow \,}{sp^{3}}}{\frac {\uparrow \,}{sp^{3}}}}$

Прецизније речено ³ хибридне орбитале се добију на основу рјешења Шредингерове једначине за конфигурацију електрона у побуђеном стању^[5], тј. након промоције и представљају линеарну комбинацију и орбитала.^[6]

Везивањем са четири атома водоника (преклапањем ³ хибридних орбитала угљеника са орбиталама водоника при чему се стварају четири сигма везе) настаје молекул метана који има тетраедарски облик. ³ хибридизација је карактеристична за засићене угљоводонике.

До ³ хибридизације долази и код атома кисеоника и азота у молекулу воде и амонијака. При томе у молекулу воде двије ³ хибридне орбитале су преклопљене са орбиталама два атома водоника(тј. успостављена је хемијска веза) а двије ³ хибридне орбитале садрже два слободна електронска пара. Код молекула амонијака једна ³ хибридна орбитала садржи слободан електронски пар. Слободни електронски парови се одбијају, а дјелују и на електроне у преосталим хибридним орбиталама због чега долази до смањивања угла између веза.

2 хибридизација

Структура етена.

Примјер ² хибридизације је молекул етена, који садржи двоструку везу између два атома угљеника. У молекулу етена су ² хибридизована оба атома угљеника. Код атома угљеника долази до мијешања орбитале са двије орбитале, при чему се добију три ² хибридне орбитале које се налазе у истој равни а угао између њих је 120° степени. Такође је остала и једна орбитала која није хибридизована.

${\displaystyle C^{*}\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp^{2}}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp^{2}}}{\frac {\uparrow \,}{sp^{2}}}{\frac {\uparrow \,}{p}}}$

У молекулу етена два атома угљеника се међусобно спајају сигма ковалентном везом која настаје преклапањем двије ² орбитале и сваки атом угљеника ствара двије сигма везе са по два атома водоника преклапањем ² орбитале угљеника и орбитале водоника. Такође се између два атома угљеника формира π веза бочним преклапањем двије орбитале које су нормалне на раван молекула.

хибридизација

До хибридизације долази код алкина који садрже троструку везу између два атома угљеника. У овом случају орбитала се мијеша само са једном орбиталом при чему настају двије орбитале између којих је угао од 180° степени и остају двије орбитале које су непромијењене.

${\displaystyle C^{*}\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp}}{\frac {\uparrow \,}{p}}{\frac {\uparrow \,}{p}}}$

У молекулу етина између два атома угљеника настаје једна сигма веза преклапањем и двије додатне π везе које се добију бочним преклапањем орбитала. Сваки атом угљеника ствара и једну сигма везу са атомом водоника преклапањем.

Хибридизација и облик молекула

Хибридизација може објаснити облике молекула:

• (нпр. ): не долази до хибридизације; тривијално линеаран
• (нпр. ): хибридизација линеаран или дијагоналан облик; угао између веза је 180°
  • (нпр. ): савијен облик, < 120°
• (нпр. ): ² хибридизација; тригонални планарни облик; углови између веза су 120°
• (нпр. ): ³ хибридизација; тетраедарски облик; углови између веза су ≈ 109.5°
  • (нпр. ): тригонално пирамидални, угао између веза 107° (Слободни електронски пар незнатно мијења угао између веза због повећаног одбијања)
• - (нпр. ): хибридизација; тригонално бипирамидални облик
• (нпр. ): хибридизација; октаедарски (или квадратно бипирамидални облик).

Ако на централном атому има слободних електронских парова онда углови између веза постају мањи због повећаног одбијања. На примјер у молекулу воде на атому кисеоника постоје двије везе са атомима водоника и два слободна електронска пара. Модел молекула је онда и долази до ³ хибридизације и распоред електронских парова у молекулу воде је тетраедарски. Угао између веза је 104.5°.