Hybrydyzacja węgla: z czego składa się, rodzaje i ich charakterystyka
Hybrydyzacja węgla polega na połączeniu dwóch czystych orbitali atomowych w celu utworzenia nowej „hybrydowej” orbitalu molekularnego o własnych właściwościach. Pojęcie orbitalu atomowego daje lepsze wyjaśnienie niż poprzednia koncepcja orbity, aby ustalić przybliżenie, gdzie istnieje większe prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w atomie.
Innymi słowy, orbital atomowy jest reprezentacją mechaniki kwantowej, aby dać wyobrażenie o pozycji elektronu lub pary elektronów w pewnym obszarze atomu, gdzie każdy orbital jest określony zgodnie z wartościami jego liczb kwant
Liczby kwantowe opisują stan układu (podobnie jak elektronu wewnątrz atomu) w pewnym momencie, za pomocą energii należącej do elektronu (n), momentu pędu, który opisuje w swoim ruchu (l), moment magnetyczny związany (m) i spin elektronu podczas przemieszczania się wewnątrz atomu (ów).
Parametry te są unikalne dla każdego elektronu w orbicie, więc dwa elektrony nie mogą mieć dokładnie tych samych wartości czterech liczb kwantowych i każdy orbital może być zajęty najwyżej przez dwa elektrony.
Czym jest hybrydyzacja węgla?
Aby opisać hybrydyzację węgla, należy wziąć pod uwagę, że cechy każdego orbitalu (jego kształt, energia, rozmiar itd.) Zależą od konfiguracji elektronicznej każdego atomu.
Oznacza to, że charakterystyka każdego orbitalu zależy od ułożenia elektronów w każdej „warstwie” lub poziomie: od najbliższego do rdzenia do najbardziej zewnętrznego, znanego również jako powłoka walencyjna.
Elektrony najbardziej zewnętrznego poziomu są jedynymi dostępnymi do utworzenia wiązania. Dlatego, gdy powstaje wiązanie chemiczne między dwoma atomami, generowane jest nakładanie się lub nakładanie się dwóch orbitali (po jednym z każdego atomu) i jest to ściśle związane z geometrią cząsteczek.
Jak stwierdzono powyżej, każdy orbital może być wypełniony maksymalnie dwoma elektronami, ale należy przestrzegać zasady Aufbau, dzięki której orbitale są wypełniane zgodnie z ich poziomem energii (od najniższego do najwyższego), tak jak pokazuje poniżej:
W ten sposób najpierw wypełnia się poziom 1 s, następnie 2 s, a następnie 2 p itd., W zależności od tego, ile elektronów ma atom lub jon.
Hybrydyzacja jest więc zjawiskiem odpowiadającym cząsteczkom, ponieważ każdy atom może zapewnić tylko czyste orbitale atomowe ( s, p, d, f ) i, dzięki połączeniu dwóch lub więcej orbitali atomowych, taką samą ilość orbitale hybrydowe, które umożliwiają połączenia między elementami.
Główne typy
Orbitale atomowe mają różne kształty i orientacje przestrzenne, co zwiększa złożoność, jak pokazano poniżej:
Zaobserwowano, że istnieje tylko jeden typ orbitalnego s (kształt sferyczny), trzy typy orbitalu p (kształt zrazikowy, gdzie każdy płat jest zorientowany na osi przestrzennej), pięć rodzajów orbity d i siedem rodzajów orbitalu f, gdzie każdy typ Orbital ma dokładnie taką samą energię jak jego klasa.
Atom węgla w stanie podstawowym ma sześć elektronów, których konfiguracja wynosi 1 s 22 s 22 p 2. Oznacza to, że powinny one zajmować poziom 1 s (dwa elektrony), 2 s (dwa elektrony) i częściowo 2 p (elektrony). dwa pozostałe elektrony) zgodnie z zasadą Aufbau.
Oznacza to, że atom węgla ma tylko dwa niesparowane elektrony w orbicie 2 p, ale w ten sposób nie jest możliwe wyjaśnienie powstawania lub geometrii cząsteczki metanu (CH 4 ) lub innych bardziej złożonych.
Aby utworzyć te ogniwa, potrzebna jest hybrydyzacja orbitali s i p (w przypadku węgla), aby wygenerować nowe orbitale hybrydowe, które wyjaśniają nawet podwójne i potrójne wiązania, w których elektrony uzyskują najbardziej stabilną konfigurację do tworzenia cząsteczki.
Hybrydyzacja sp3
Hybrydyzacja sp3 polega na utworzeniu czterech „hybrydowych” orbitali z czystych orbitali 2s, 2p x, 2p i 2p z .
Tak więc mamy rearanżację elektronów na poziomie 2, gdzie są cztery elektrony dostępne do formowania czterech wiązań i są one uporządkowane równolegle, aby mieć mniej energii (większa stabilność).
Przykładem jest cząsteczka etylenu (C 2 H 4 ), której wiązania tworzą kąty 120 ° między atomami i zapewniają płaską geometrię trygonalną.
W tym przypadku generowane są proste wiązania CH i CC (z powodu orbitali sp 2) i podwójne wiązanie CC (z powodu orbitalu p ), aby utworzyć najbardziej stabilną cząsteczkę.
Hybrydyzacja sp2
Poprzez hybrydyzację sp2 generowane są trzy „hybrydowe” orbitale z czystych orbitali 2s i trzech czystych orbitali 2p. Ponadto uzyskuje się czysty orbital p, który uczestniczy w tworzeniu podwójnego wiązania (zwanego pi: „π”).
Przykładem jest cząsteczka etylenu (C 2 H 4 ), której wiązania tworzą kąty 120 ° między atomami i zapewniają płaską geometrię trygonalną. W tym przypadku generowane są proste wiązania CH i CC (z powodu orbitali sp2) i podwójne wiązanie CC (z powodu orbitalu p), aby utworzyć najbardziej stabilną cząsteczkę.
Przez hybrydyzację sp ustanawia się dwie „hybrydowe” orbitale z czystych orbitali 2s orbitalnych i trzech czystych orbitali 2p. W ten sposób powstają dwa czyste orbitale p, które uczestniczą w tworzeniu potrójnego wiązania.
Dla tego typu hybrydyzacji jako przykład przedstawiono cząsteczkę acetylenu (C 2 H 2 ), której wiązania tworzą kąty 180 ° między atomami i zapewniają geometrię liniową.
Dla tej struktury istnieją proste łącza CH i CC (ze względu na orbitale sp) i potrójne łącze CC (czyli dwa łącza pi z powodu orbitali p), aby uzyskać konfigurację z najmniejszym odpychaniem elektronicznym.
