Ano ang ibig sabihin ng sp3 hybridization. Hybridization ng atomic orbitals at ang geometry ng mga molekula

sp3 hybridization

sp 3 -Hybridization - hybridization, kung saan atomic orbitals ng isa s- at tatlo p-mga electron (Larawan 1).

kanin. isa. Edukasyon sp 3 hybrid na orbital

Apat sp Ang 3-hybrid orbitals ay simetriko na nakatuon sa espasyo sa isang anggulo na 109°28" (Larawan 2).

Modelo ng isang atom na may sp 3-hybrid na mga orbital

Ang spatial na pagsasaayos ng isang molekula na ang gitnang atom ay nabuo sp 3-hybrid orbitals - tetrahedron

Tetrahedral spatial configuration ng isang molekula na ang gitnang atom ay nabuo sp 3-hybrid na mga orbital

hybridization atom orbital carbon

Mga halimbawa ng mga compound kung saan sp 3-hybridization: NH 3 , POCl 3 , SO 2 F 2 , SOBr 2 , NH 4+ , H 3 O + . Gayundin, sp Ang 3-hybridization ay sinusunod sa lahat ng saturated hydrocarbons (alkanes, cycloalkanes) at iba pang organic compounds: CH 4, C 5 H 12, C 6 H 14, C 8 H 18, atbp. Ang pangkalahatang formula ng alkanes ay: C n H 2n +2. Ang pangkalahatang formula ng cycloalkanes ay: C n H 2n. Sa saturated hydrocarbons, ang lahat ng mga kemikal na bono ay iisa, samakatuwid, sa pagitan ng mga hybrid na orbital ng mga compound na ito, lamang sa-nagpapatong.

Bumuo ng chemical bond, i.e. ang mga hindi magkapares na electron lamang ang maaaring lumikha ng isang karaniwang pares ng elektron na may "dayuhang" electron mula sa isa pang atom. Kapag nagsusulat ng mga elektronikong formula, ang mga hindi pares na mga electron ay matatagpuan isa-isa sa orbital cell.

atomic orbital ay isang function na naglalarawan sa density ng electron cloud sa bawat punto sa espasyo sa paligid ng nucleus ng isang atom. Ang electron cloud ay isang rehiyon ng espasyo kung saan matatagpuan ang isang electron na may mataas na posibilidad.

Upang pagsamahin ang elektronikong istraktura ng carbon atom at ang valency ng elementong ito, ginagamit ang mga konsepto ng paggulo ng carbon atom. Sa normal (hindi nasasabik) na estado, ang carbon atom ay may dalawang hindi pares 2 R 2 elektron. Sa isang nasasabik na estado (kapag ang enerhiya ay hinihigop) isa sa 2 s 2-electron ay maaaring pumasa sa libre R-orbital. Pagkatapos ay lumilitaw ang apat na hindi magkapares na electron sa carbon atom:

Alalahanin na sa electronic formula ng isang atom (halimbawa, para sa carbon 6 C - 1 s 2 2s 2 2p 2) malalaking numero sa harap ng mga titik - 1, 2 - ipahiwatig ang bilang ng antas ng enerhiya. Mga liham s at R ipahiwatig ang hugis ng electron cloud (orbitals), at ang mga numero sa kanan sa itaas ng mga titik ay nagpapahiwatig ng bilang ng mga electron sa isang ibinigay na orbital. Lahat s- spherical orbitals

Sa pangalawang antas ng enerhiya maliban sa 2 s-may tatlong orbital 2 R-mga orbital. Ang 2 na ito R-Ang mga orbital ay may ellipsoidal na hugis, katulad ng mga dumbbells, at naka-orient sa espasyo sa isang anggulo na 90 ° sa bawat isa. 2 R-Ang mga orbital ay tumutukoy sa 2 R X , 2R y at 2 R z ayon sa mga axes kung saan matatagpuan ang mga orbital na ito.

Hugis at oryentasyon ng p-electron orbitals

Kapag nabuo ang mga bono ng kemikal, ang mga orbital ng elektron ay nakakakuha ng parehong hugis. Kaya, sa saturated hydrocarbons, isa s-orbital at tatlo R-orbital ng isang carbon atom upang bumuo ng apat na magkapareho (hybrid) sp 3-orbital:

ito- sp 3 - hybridization.

Hybridization- pagkakahanay (paghahalo) ng atomic orbitals ( s at R) na may pagbuo ng mga bagong atomic orbital, na tinatawag na mga hybrid na orbital.

Apat na sp 3 -hybrid orbitals ng carbon atom

Ang mga hybrid na orbital ay may asymmetric na hugis, na pinahaba patungo sa nakakabit na atom. Ang mga ulap ng elektron ay nagtataboy sa isa't isa at matatagpuan sa kalawakan hangga't maaari mula sa isa't isa. Kasabay nito, ang mga palakol ng apat sp 3-mga hybrid na orbital lumabas na nakadirekta sa vertices ng tetrahedron (regular triangular pyramid).

Alinsunod dito, ang mga anggulo sa pagitan ng mga orbital na ito ay tetrahedral, katumbas ng 109 ° 28".

Ang mga tuktok ng mga orbital ng elektron ay maaaring mag-overlap sa mga orbital ng iba pang mga atomo. Kung ang mga ulap ng elektron ay magkakapatong sa isang linya na nagkokonekta sa mga sentro ng mga atomo, kung gayon ang naturang covalent bond ay tinatawag na sigma () - bono. Halimbawa, sa isang C 2 H 6 ethane molecule, isang kemikal na bono ang nabuo sa pagitan ng dalawang carbon atoms sa pamamagitan ng pag-overlay ng dalawang hybrid na orbital. Ito ay isang koneksyon. Bilang karagdagan, ang bawat isa sa mga carbon atom na may tatlo nito sp Ang 3-orbital ay nagsasapawan sa s-orbital ng tatlong hydrogen atoms, na bumubuo ng tatlong -bond.

Scheme ng magkakapatong na mga ulap ng elektron sa molekula ng ethane

Sa kabuuan, tatlong valence state na may iba't ibang uri ng hybridization ang posible para sa isang carbon atom. Maliban sa sp Mayroong 3-hybridization sp 2 - at sp-hybridization.

sp 2 -Hybridization- paghahalo ng isa s- at dalawa R-mga orbital. Bilang isang resulta, tatlong hybrid sp 2 -orbital. Ang mga ito sp Ang 2 -orbital ay matatagpuan sa parehong eroplano (na may mga axes X, sa) at nakadirekta sa mga vertices ng tatsulok na may anggulo sa pagitan ng mga orbital na 120°. unhybridized R-orbital ay patayo sa eroplano ng tatlong hybrid sp 2 orbital (naka-orient sa kahabaan ng axis z). Itaas na kalahati R-ang mga orbital ay nasa itaas ng eroplano, ang ibabang kalahati ay nasa ibaba ng eroplano.

Uri ng sp Ang 2-hybridization ng carbon ay nangyayari sa mga compound na may double bond: C=C, C=O, C=N. Bukod dito, isa lamang sa mga bono sa pagitan ng dalawang atomo (halimbawa, C=C) ang maaaring maging isang bono. (Ang iba pang mga bonding orbital ng atom ay nakadirekta sa magkasalungat na direksyon.) Ang pangalawang bono ay nabuo bilang resulta ng overlap ng non-hybrid R-orbital sa magkabilang panig ng linya na nag-uugnay sa nuclei ng mga atomo.

Mga orbital (tatlong sp 2 at isang p) carbon atom sa sp 2 - hybridization

Covalent bond na nabuo sa pamamagitan ng lateral overlap R-tinatawag na mga orbital ng mga kalapit na carbon atoms pi()-bond.

Edukasyon - komunikasyon

Dahil sa mas kaunting overlap ng mga orbital, ang -bond ay hindi gaanong malakas kaysa sa -bond.

sp-Hybridization- ito ay paghahalo (alignment sa anyo at enerhiya) ng isa s- at isa R-orbitals na may pagbuo ng dalawang hybrid sp-mga orbital. sp- Ang mga orbital ay matatagpuan sa parehong linya (sa isang anggulo ng 180 °) at nakadirekta sa magkasalungat na direksyon mula sa nucleus ng carbon atom. Dalawa R-nananatiling unhybridized ang mga orbital. Matatagpuan ang mga ito na magkaparehong patayo sa mga direksyon ng -bond. Sa larawan sp-Ang mga orbital ay ipinapakita sa kahabaan ng axis y, at ang unhybridized na dalawa R-orbital- kasama ang mga palakol X at z.

Atomic orbitals (dalawang sp at dalawang p) ng carbon sa estado ng sp hybridization

Ang triple carbon-carbon bond CC ay binubuo ng isang -bond na nangyayari kapag nagsasapawan sp-hybrid orbitals, at dalawang -bond.

Ang elektronikong istraktura ng carbon atom

Ang carbon, na bahagi ng mga organikong compound, ay nagpapakita ng pare-parehong valence. Ang huling antas ng enerhiya ng carbon atom ay naglalaman ng 4 na electron, dalawa sa mga ito ay sumasakop sa 2s orbital, na may spherical na hugis, at dalawang electron ang sumasakop sa 2p orbitals, na may hugis ng dumbbell. Kapag nasasabik, ang isang electron mula sa 2s orbital ay maaaring pumunta sa isa sa mga bakanteng 2p orbital. Ang paglipat na ito ay nangangailangan ng ilang gastos sa enerhiya (403 kJ/mol). Bilang resulta, ang nasasabik na carbon atom ay may 4 na hindi magkapares na mga electron at ang elektronikong pagsasaayos nito ay ipinahayag ng formula 2s1 2p3 .

Ang isang nasasabik na carbon atom ay nagagawang bumuo ng 4 na covalent bond dahil sa 4 sa sarili nitong hindi magkapares na mga electron at 4 na electron ng iba pang mga atomo. Kaya, sa kaso ng hydrocarbon methane (CH4), ang carbon atom ay bumubuo ng 4 na bono sa mga s-electron ng mga hydrogen atoms. Sa kasong ito, 1 bono ang dapat mabuo uri ng s-s(sa pagitan ng s-electron ng isang carbon atom at ng s-electron ng isang hydrogen atom) at 3 p-s bonds (sa pagitan ng 3 p-electron ng isang carbon atom at 3 s-electron ng 3 hydrogen atoms). Ito ay humahantong sa konklusyon na ang apat na covalent bond na nabuo ng carbon atom ay hindi katumbas. gayunpaman, praktikal na karanasan ipinahihiwatig ng kimika na ang lahat ng 4 na bono sa molekula ng methane ay ganap na katumbas, at ang molekula ng methane ay may istrukturang tetrahedral na may mga anggulo ng bono na 109 °, na hindi maaaring mangyari kung ang mga bono ay hindi katumbas. Pagkatapos ng lahat, tanging ang mga orbital ng mga p-electron ay nakatuon sa espasyo kasama ang magkabilang patayo na mga axes x, y, z, at ang orbital ng isang s-electron ay may spherical na hugis, kaya ang direksyon ng pagbuo ng isang bono sa elektron na ito ay magiging. arbitraryo. Ang teorya ng hybridization ay nagawang ipaliwanag ang kontradiksyon na ito. Iminungkahi ni L. Polling na sa anumang mga molekula ay walang mga bono na nakahiwalay sa isa't isa. Kapag nabuo ang mga bono, ang mga orbital ng lahat ng mga electron ng valence ay magkakapatong. Ang ilang mga uri ng hybridization ng mga orbital ng elektron ay kilala. Ipinapalagay na sa molekula ng mitein at iba pang mga alkanes 4 na electron ang pumapasok sa hybridization.

Hybridization ng mga orbital ng carbon atom

Ang orbital hybridization ay isang pagbabago sa hugis at enerhiya ng ilang mga electron sa panahon ng pagbuo ng isang covalent bond, na humahantong sa mas epektibong overlap ng mga orbital at tumaas na lakas ng bono. Ang hybridization ng mga orbital ay palaging nangyayari kapag ang mga electron ay kabilang sa iba't ibang uri mga orbital. 1. sp 3 -hybridization (ang unang valence state ng carbon). Sa sp3 hybridization, 3 p-orbital at isang s-orbital ng isang excited na carbon atom ay nakikipag-ugnayan sa paraan na ang mga orbital ay nakuha na ganap na magkapareho sa enerhiya at simetriko na matatagpuan sa espasyo. Ang pagbabagong ito ay maaaring isulat tulad nito:

s + px + py + pz = 4sp3

Sa panahon ng hybridization, ang kabuuang bilang ng mga orbital ay hindi nagbabago, ngunit ang kanilang enerhiya at hugis lamang ang nagbabago. Ipinakita na ang sp3 hybridization ng mga orbital ay kahawig ng isang three-dimensional figure-eight, ang isa sa mga blades ay mas malaki kaysa sa isa. Apat na hybrid na orbital ang pinalawak mula sa gitna hanggang sa tuktok regular na tetrahedron sa mga anggulo ng 109.50. Ang mga bono na nabuo ng mga hybrid na electron (halimbawa, ang s-sp 3 bond) ay mas malakas kaysa sa mga bono na ginawa ng mga unhybridized na p-electron (halimbawa, ang s-p bond). dahil ang hybrid sp3 orbital ay nagbibigay ng mas malaking lugar ng electron orbital overlap kaysa sa unhybridized p orbital. Ang mga molekula kung saan isinasagawa ang sp3 hybridization ay may istrukturang tetrahedral. Bilang karagdagan sa methane, kabilang dito ang methane homologues, mga inorganic na molekula tulad ng ammonia. Ang mga figure ay nagpapakita ng isang hybridized orbital at isang tetrahedral methane molecule. Ang mga kemikal na bono na nanggagaling sa methane sa pagitan ng carbon at hydrogen atoms ay nasa uri ng 2 y-bond (sp3 -s-bond). Sa pangkalahatan, ang anumang sigma bond ay nailalarawan sa pamamagitan ng katotohanan na ang densidad ng elektron ng dalawang magkakaugnay na mga atomo ay magkakapatong sa linya na nagkokonekta sa mga sentro (nuclei) ng mga atomo. Ang mga y-bond ay tumutugma sa pinakamataas na posibleng antas ng overlapping ng mga atomic orbital, kaya sapat ang kanilang lakas. 2. sp2 hybridization (pangalawang valence state ng carbon). Nangyayari bilang resulta ng overlap ng isang 2s at dalawang 2p orbital. Ang resultang sp2 hybrid orbitals ay matatagpuan sa parehong eroplano sa isang anggulo ng 1200 sa bawat isa, at ang unhybridized p orbital ay patayo dito. Ang kabuuang bilang ng mga orbital ay hindi nagbabago - mayroong apat sa kanila.

s + px + py + pz = 3sp2 + pz

Ang estado ng sp2 hybridization ay nangyayari sa mga molekula ng alkene, sa mga grupo ng carbonyl at carboxyl, i.e. sa mga compound na naglalaman ng double bond. Kaya, sa molekula ng ethylene, ang mga hybridized na electron ng carbon atom ay bumubuo ng 3 y-bond (dalawang sp 2 -s type bond sa pagitan ng carbon atom at hydrogen atoms at isang sp 2 -sp 2 type bond sa pagitan ng carbon atoms). Ang natitirang unhybridized p-electron ng isang carbon atom ay bumubuo ng p-bond na may unhybridized p-electron ng pangalawang carbon atom. katangian na tampok Ang p-bond ay ang overlap ng mga orbital ng elektron ay lumampas sa linyang nagkokonekta sa dalawang atomo. Ang overlap ng mga orbital ay napupunta sa itaas at sa ibaba ng y-bond na nagkokonekta sa parehong carbon atoms. Kaya, ang double bond ay isang kumbinasyon ng y- at p-bond. Ang unang dalawang figure ay nagpapakita na sa molekula ng etilena ang mga anggulo ng bono sa pagitan ng mga atomo na bumubuo sa molekula ng etilena ay 1200 (kaayon, ang mga oryentasyon ng tatlong sp2 hybrid na orbital sa kalawakan). Ang ikatlo at ikaapat na figure ay nagpapakita ng pagbuo ng isang p-bond. ethylene (pagbuo ng mga y-bond) ethylene (pagbuo ng mga pi-bond) sa mga reaksiyong kemikal. 3. sp-hybridization (ang ikatlong valence state ng carbon). Sa estado ng sp-hybridization, ang carbon atom ay may dalawang sp-hybrid na orbital na matatagpuan nang linear sa isang anggulo na 1800 sa isa't isa at dalawang unhybridized p-orbitals na matatagpuan sa dalawang magkaparehong patayo na eroplano. sp- Ang hybridization ay tipikal para sa mga alkynes at nitriles, i.e. para sa mga compound na naglalaman ng triple bond.

s + px + py + pz = 2sp + py + pz

Kaya, sa isang molekula ng acetylene, ang mga anggulo ng bono sa pagitan ng mga atomo ay 1800. Ang mga hybridized na electron ng isang carbon atom ay bumubuo ng 2 y-bond (isang sp-s bond sa pagitan ng isang carbon atom at isang hydrogen atom at isa pang sp-sp type bond sa pagitan ng mga carbon atoms. Dalawang unhybridized na p-electron ng isang carbon atom ay bumubuo ng dalawang p-bond na may unhybridized na p-electron na pangalawang carbon atom. Ang mga overlapping na orbital ng mga p-electron ay hindi lamang nasa itaas at ibaba ng y-bond, kundi pati na rin sa harap at likod, at ang kabuuang ulap ng mga p-electron ay may cylindrical na hugis. Kaya, ang triple bond ay isang kumbinasyon ng isang y-bond at dalawang p-bond Ang pagkakaroon ng hindi gaanong malakas na dalawang p-bond sa molekula ng acetylene ay nagsisiguro sa kakayahan ng sangkap na ito na pumasok sa mga reaksyon ng karagdagan sa pagkasira ng triple bond.

Konklusyon: ang sp3 hybridization ay katangian ng mga carbon compound. Bilang resulta ng hybridization ng isang s-orbital at tatlong p-orbitals, apat na hybrid sp3-orbitals ang nabuo, na nakadirekta sa vertices ng tetrahedron na may anggulo sa pagitan ng mga orbital na 109°.

Karamihan sa mga organikong compound ay mayroon istraktura ng molekular. Ang mga atomo sa mga sangkap na may isang molekular na uri ng istraktura ay palaging bumubuo lamang ng mga covalent bond sa isa't isa, na sinusunod din sa kaso ng mga organikong compound. Alalahanin na ang isang covalent bond ay isang uri ng bono sa pagitan ng mga atomo, na natanto dahil sa ang katunayan na ang mga atom ay nakikisalamuha sa bahagi ng kanilang mga panlabas na electron upang makuha ang elektronikong pagsasaayos ng isang marangal na gas.

Sa pamamagitan ng bilang ng mga pares ng electron na naisa-isa, ang covalent bond ay nasa organikong bagay ah maaaring hatiin sa single, double at triple. Ang mga uri ng koneksyon ay ipinahiwatig sa graphic formula, ayon sa pagkakabanggit, ng isa, dalawa o tatlong linya:

Ang multiplicity ng bono ay humahantong sa isang pagbaba sa haba nito, kaya isang solong Koneksyon ng C-C ay may haba na 0.154 nm, dobleng C=C bond - 0.134 nm, triple C≡C bond - 0.120 nm.

Mga uri ng mga bono ayon sa paraan ng pagsasanib ng mga orbital

Tulad ng nalalaman, ang mga orbital ay maaaring magkaroon ng iba't ibang mga hugis, halimbawa, ang mga s-orbital ay spherical, at p-dumbbell-shaped. Para sa kadahilanang ito, ang mga bono ay maaari ding mag-iba sa paraan ng pag-overlap ng mga electron orbital:

ϭ-bond - ay nabuo kapag ang mga orbital ay nagsasapawan sa paraang ang rehiyon ng kanilang overlap ay intersected ng isang linya na nagkokonekta sa nuclei. Mga halimbawa ng ϭ-bond:

π-bond - ay nabuo kapag ang mga orbital ay nagsasapawan, sa dalawang lugar - sa itaas at sa ibaba ng linya na nagkokonekta sa nuclei ng mga atomo. Mga halimbawa ng π bond:

Paano malalaman kung mayroong π- at ϭ-bond sa isang molekula?

Sa isang covalent na uri ng bono, palaging may ϭ-bond sa pagitan ng alinmang dalawang atomo, at mayroon itong π-bond lamang sa kaso ng maramihang (doble, triple) na bono. kung saan:

Single bond - palaging isang ϭ-bond
Ang double bond ay palaging binubuo ng isang ϭ- at isang π-bond
Ang isang triple bond ay palaging nabubuo ng isang ϭ at dalawang π bond.

Ipahiwatig natin ang mga ganitong uri ng mga bono sa molekula ng propinoic acid:

Hybridization ng mga orbital ng carbon atom

Ang orbital hybridization ay ang proseso kung saan ang mga orbital na orihinal na mayroon iba't ibang anyo at ang mga enerhiya ay naghahalo, na bumubuo bilang kapalit ng parehong bilang ng mga hybrid na orbital, pantay sa hugis at enerhiya.

Halimbawa, kapag naghahalo ng isa s- at tatlo p- apat na orbital ang nabuo sp 3-hybrid orbitals:

Sa kaso ng mga atomo ng carbon, palaging nakikibahagi ang hybridization s- orbital, at ang numero p-Ang mga orbital na maaaring makilahok sa hybridization ay nag-iiba mula isa hanggang tatlo p- mga orbital.

Paano matukoy ang uri ng hybridization ng isang carbon atom sa isang organikong molekula?

Depende sa kung gaano karaming iba pang mga atom ang nakagapos sa isang carbon atom, ito ay nasa estado sp 3, o sa estado sp 2, o sa estado sp- hybridization:

Magsanay tayo sa pagtukoy sa uri ng hybridization ng mga carbon atom gamit ang halimbawa ng sumusunod na organikong molekula:

Ang unang carbon atom ay nakagapos sa dalawang iba pang mga atomo (1H at 1C), kaya ito ay nasa estado sp-hybridization.

Ang pangalawang carbon atom ay nakagapos sa dalawang atomo - sp-hybridization
Ang ikatlong carbon atom ay nakagapos sa apat na iba pang mga atomo (dalawang C at dalawang H) - sp 3-hybridization
Ang ikaapat na carbon atom ay nakagapos sa tatlong iba pang mga atomo (2O at 1C) - sp 2-hybridization.

Radikal. Functional na grupo

Ang terminong "radical" ay kadalasang nangangahulugang isang hydrocarbon radical, na kung saan ay ang natitira sa isang molekula ng anumang hydrocarbon na walang isang hydrogen atom.

Ang pangalan ng hydrocarbon radical ay nabuo batay sa pangalan ng kaukulang hydrocarbon sa pamamagitan ng pagpapalit ng suffix –tl sa panlapi – banlik .

Functional na grupo - isang istrukturang fragment ng isang organikong molekula (isang tiyak na pangkat ng mga atomo), na responsable para sa tiyak nito Mga katangian ng kemikal.

Depende sa kung alin sa mga functional na grupo sa molekula ng sangkap ang pinakamatanda, ang tambalan ay itinalaga sa isa o ibang klase.

Ang R ay ang pagtatalaga ng isang hydrocarbon substituent (radical).

Ang mga radikal ay maaaring maglaman ng maraming mga bono, na maaari ding ituring bilang mga functional na grupo, dahil ang maramihang mga bono ay nag-aambag sa mga kemikal na katangian ng sangkap.

Kung ang isang organikong molekula ay naglalaman ng dalawa o higit pang mga functional na grupo, ang mga naturang compound ay tinatawag na polyfunctional.

Konsepto ng hybridization

Ang konsepto ng hybridization ng valence atomic orbitals ay iminungkahi ng Amerikanong chemist na si Linus Pauling na sagutin ang tanong kung bakit, kung ang gitnang atom ay may iba't ibang (s, p, d) valence orbital, ang mga bono na nabuo nito sa mga polyatomic molecule na may parehong ligand ay katumbas ng kanilang enerhiya at spatial na katangian. .

Ang mga ideya tungkol sa hybridization ay sentro ng paraan ng valence bonds. Ang hybridization mismo ay hindi isang tunay na pisikal na proseso, ngunit isang maginhawang modelo lamang na ginagawang posible na ipaliwanag ang elektronikong istraktura ng mga molekula, lalo na, ang mga hypothetical na pagbabago ng mga atomic orbital sa panahon ng pagbuo ng isang covalent chemical bond, lalo na, ang pagkakahanay ng kemikal. mga haba ng bono at mga anggulo ng bono sa isang molekula.

Ang konsepto ng hybridization ay matagumpay na inilapat sa husay na paglalarawan ng mga simpleng molekula, ngunit kalaunan ay pinalawak sa mas kumplikadong mga. Hindi tulad ng teorya ng molecular orbitals, hindi ito mahigpit na quantitative, halimbawa, hindi nito mahulaan ang photoelectron spectra ng kahit na simpleng mga molekula gaya ng tubig. Ito ay kasalukuyang ginagamit pangunahin para sa mga layuning metodolohikal at sa sintetikong organikong kimika.

Ang prinsipyong ito ay makikita sa teorya ng Gillespie-Nyholm ng pagtanggi ng mga pares ng elektron. Ang una at pinakamahalagang tuntunin na binuo tulad ng sumusunod:

"Ang mga pares ng elektroniko ay kumukuha ng gayong pag-aayos sa valence shell ng atom, kung saan sila ay malayo sa isa't isa hangga't maaari, iyon ay, ang mga pares ng elektron ay kumikilos na parang nagtataboy sa isa't isa."

Ang pangalawang panuntunan ay iyon "lahat ng mga pares ng elektron na kasama sa valence electron shell ay itinuturing na matatagpuan sa parehong distansya mula sa nucleus".

Mga uri ng hybridization

sp hybridization

Nangyayari kapag pinaghahalo ang isang s- at isang p-orbital. Dalawang katumbas na sp-atomic orbital ang nabuo, na matatagpuan sa linearly sa isang anggulo na 180 degrees at nakadirekta patungo sa magkaibang panig mula sa nucleus ng isang carbon atom. Ang dalawang natitirang di-hybrid na p-orbital ay matatagpuan sa magkabilang patayo na mga eroplano at lumalahok sa pagbuo ng mga π-bond, o inookupahan ng mga nag-iisang pares ng mga electron.

sp 2 hybridization

Nangyayari kapag pinaghahalo ang isang s- at dalawang p-orbital. Ang tatlong hybrid na orbital ay nabuo na may mga palakol na matatagpuan sa parehong eroplano at nakadirekta sa mga vertices ng tatsulok sa isang anggulo ng 120 degrees. Ang non-hybrid p-atomic orbital ay patayo sa eroplano at, bilang panuntunan, ay nakikilahok sa pagbuo ng mga π-bond.

sp 3 hybridization

Nangyayari kapag pinaghahalo ang isang s- at tatlong p-orbital, na bumubuo ng apat na sp3-hybrid na orbital na may pantay na hugis at enerhiya. Maaari silang bumuo ng apat na σ-bond sa ibang mga atomo o mapuno ng nag-iisang pares ng mga electron.

Ang mga axes ng sp3-hybrid orbitals ay nakadirekta sa vertices ng isang regular na tetrahedron. Ang tetrahedral angle sa pagitan ng mga ito ay 109°28", na tumutugma sa pinakamababang electron repulsion energy. Ang mga orbital ng Sp3 ay maaari ding bumuo ng apat na σ-bond sa iba pang mga atomo o punuin ng mga hindi nakabahaging pares ng mga electron.

Hybridization at molecular geometry

Ang mga ideya tungkol sa hybridization ng atomic orbitals ay sumasailalim sa Gillespie-Nyholm theory ng repulsion ng mga pares ng elektron. Ang bawat uri ng hybridization ay tumutugma sa isang mahigpit na tinukoy na spatial na oryentasyon ng mga hybrid na orbital ng gitnang atom, na nagpapahintulot na ito ay magamit bilang batayan ng mga stereochemical na konsepto sa mundo. organikong kimika.

Ang talahanayan ay nagpapakita ng mga halimbawa ng pagsusulatan sa pagitan ng mga pinakakaraniwang uri ng hybridization at ang geometric na istraktura ng mga molekula, sa pag-aakalang ang lahat ng mga hybrid na orbital ay nakikilahok sa pagbuo ng mga kemikal na bono (walang mga hindi nakabahaging pares ng elektron).

Uri ng hybridization	Numero mga hybrid na orbital	Geometry	Mga halimbawa
sp	2	Linear	BeF 2 , CO 2 , NO 2 +
sp 2	3	tatsulok	BF 3, NO 3 -, CO 3 2-
sp 3	4	tetrahedral	CH 4, ClO 4 -, SO 4 2-, NH 4 +
dsp2	4	patag na parisukat	Ni(CO) 4 , XeF 4
sp 3 d	5	Hexahedral	PCl 5 , AsF 5
sp 3 d 2	6	Octahedral	SF 6 , Fe(CN) 6 3- , CoF 6 3-

Mga link

Panitikan

Pauling L. Kalikasan kemikal na dumidikit/ Per. mula sa Ingles. M. E. Dyatkina. Ed. ang prof. Oo. K. Syrkina. - M.; L.: Goshimizdat, 1947. - 440 p.
Pauling L. pangkalahatang kimika. Per. mula sa Ingles. - M .: Mir, 1974. - 846 p.
Minkin V. I., Simkin B. Ya., Minyaev R. M. Teorya ng istraktura ng mga molekula. - Rostov-on-Don: Phoenix, 1997. - S. 397-406. - ISBN 5-222-00106-7
Gillespie R. Geometry ng mga molekula / Per. mula sa Ingles. E. Z. Zasorina at V. S. Mastryukov, ed. Yu. A. Pentina. - M .: Mir, 1975. - 278 p.

Tingnan din

Mga Tala

Wikimedia Foundation. 2010 .

Sa proseso ng pagtukoy ng geometric na hugis ng isang particle ng kemikal, mahalagang isaalang-alang na ang mga pares ng valence electron ng pangunahing atom, kabilang ang mga hindi bumubuo ng isang kemikal na bono, ay nasa isang malaking distansya mula sa bawat isa sa kalawakan. .

Mga Tampok ng Termino

Kapag isinasaalang-alang ang isyu ng covalent chemical bonding, ang isang konsepto ay kadalasang ginagamit bilang hybridization ng atomic orbitals. Ang terminong ito ay nauugnay sa pagkakahanay ng anyo at enerhiya. Ang hybridization ng atomic orbitals ay nauugnay sa quantum-chemical na proseso ng rearrangement. Ang mga orbital kung ihahambing sa mga paunang atomo ay may ibang istraktura. Ang kakanyahan ng hybridization ay nakasalalay sa katotohanan na ang elektron na matatagpuan sa tabi ng nucleus ng isang nakatali na atom ay tinutukoy hindi ng isang tiyak na atomic orbital, ngunit sa pamamagitan ng kanilang kumbinasyon sa isang pantay na pangunahing numero ng quantum. Karaniwan, ang prosesong ito ay may kinalaman sa mas mataas, malapit sa mga atomic na orbital ng enerhiya na may mga electron.

Mga Detalye ng Proseso

Ang mga uri ng hybridization ng mga atomo sa mga molekula ay nakasalalay sa kung paano nangyayari ang oryentasyon ng mga bagong orbital. Ayon sa uri ng hybridization, maaaring matukoy ng isa ang geometry ng isang ion o molekula, iminumungkahi ang mga tampok ng mga katangian ng kemikal.

Mga uri ng hybridization

Ang ganitong uri ng hybridization, tulad ng sp, ay isang linear na istraktura, ang anggulo sa pagitan ng mga bono ay 180 degrees. Ang isang halimbawa ng isang molekula na may katulad na variant ng hybridization ay BeCl 2 .

Ang susunod na uri ng hybridization ay sp 2 . Ang mga molekula ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang tatsulok na hugis, ang anggulo sa pagitan ng mga bono ay 120 degrees. Ang isang tipikal na halimbawa ng naturang hybridization variant ay BCl 3 .

Ang uri ng sp 3 hybridization ay nagmumungkahi ng isang tetrahedral na istraktura ng molekula; isang tipikal na halimbawa ng isang sangkap na may ganitong hybridization na variant ay ang methane CH 4 na molekula. Ang anggulo ng bono sa kasong ito ay 109 degrees 28 minuto.

Hindi lamang ang mga ipinares na electron, kundi pati na rin ang mga hindi pinaghihiwalay na pares ng mga electron ay direktang kasangkot sa hybridization.

Hybridization sa isang molekula ng tubig

Halimbawa, sa isang molekula ng tubig, mayroong dalawang covalent polar bond sa pagitan ng oxygen atom at ng hydrogen atoms. Bilang karagdagan, ang oxygen atom mismo ay may dalawang pares ng mga panlabas na electron na hindi nakikibahagi sa paglikha ng isang kemikal na bono. Ang 4 na pares ng elektron na ito sa espasyo ay sumasakop sa isang tiyak na lugar sa paligid ng oxygen atom. Dahil lahat sila ay may parehong singil, tinataboy nila ang isa't isa sa kalawakan, ang mga ulap ng elektron ay nasa isang malaking distansya mula sa isa't isa. Ang uri ng hybridization ng mga atomo sa isang naibigay na sangkap ay nagsasangkot ng pagbabago sa hugis ng atomic orbitals, sila ay nakaunat at nakahanay sa mga vertices ng tetrahedron. Bilang isang resulta, ang molekula ng tubig ay nakakakuha ng isang angular na hugis, ang anggulo ng bono sa pagitan ng mga bono ng oxygen-hydrogen ay 104.5 o.

Upang mahulaan ang uri ng hybridization, maaaring gamitin ng isa ang mekanismo ng donor-acceptor ng pagbuo ng bono ng kemikal. Bilang resulta, ang mga libreng orbital ng isang elemento na may mas mababang electronegativity ay magkakapatong, pati na rin ang mga orbital ng isang elemento na may mas mataas na electrical negativity, kung saan matatagpuan ang isang pares ng mga electron. Sa proseso ng pag-compile ng elektronikong pagsasaayos ng isang atom, ang kanilang estado ng oksihenasyon ay isinasaalang-alang.

Mga panuntunan para sa pagtukoy ng uri ng hybridization

Upang matukoy ang uri ng carbon hybridization, maaaring gamitin ang ilang mga patakaran:

kilalanin ang gitnang atom, kalkulahin ang bilang ng mga σ-bond;
ilagay sa butil ang estado ng oksihenasyon ng mga atomo;
isulat ang elektronikong pagsasaayos ng pangunahing atom sa nais na estado ng oksihenasyon;
bumubuo sa scheme ng pamamahagi kasama ang mga orbit ng valence electron, pagpapares ng mga electron;
maglaan ng mga orbital na direktang kasangkot sa pagbuo ng mga bono, maghanap ng mga hindi magkapares na electron (kung ang bilang ng mga valence orbital ay hindi sapat para sa hybridization, ang mga orbital ng susunod na antas ng enerhiya ay ginagamit).

Ang geometry ng molekula ay tinutukoy ng uri ng hybridization. Hindi ito apektado ng pagkakaroon ng mga pi bond. Sa kaso ng karagdagang pagbubuklod, ang isang pagbabago sa anggulo ng bono ay posible, ang dahilan ay ang mutual repulsion ng mga electron na bumubuo ng maraming bono. Kaya, sa nitric oxide molecule (4) sa panahon ng sp 2 hybridization, ang anggulo ng bono ay tumataas mula 120 degrees hanggang 134 degrees.

Hybridization sa molekula ng ammonia

Ang isang hindi nakabahaging pares ng mga electron ay nakakaapekto sa nagresultang dipole moment ng buong molekula. Ang ammonia ay may istrukturang tetrahedral na may hindi nakabahaging pares ng mga electron. Ang ionicity ng nitrogen-hydrogen at nitrogen-fluorine bond ay 15 at 19 porsiyento, ang mga haba ay tinutukoy na 101 at 137 pm, ayon sa pagkakabanggit. Kaya, ang molekula ng nitrogen fluoride ay dapat magkaroon ng isang mas malaking dipole moment, ngunit ang mga eksperimentong resulta ay nagpapahiwatig ng kabaligtaran.

Hybridization sa mga organikong compound

Ang bawat klase ng hydrocarbons ay may sariling uri ng hybridization. Kaya, sa pagbuo ng mga molekula ng klase ng alkanes (saturated hydrocarbons), lahat ng apat na electron ng carbon atom ay bumubuo ng mga hybrid na orbital. Kapag nag-overlap ang mga ito, nabuo ang 4 na hybrid na ulap, na nakahanay sa mga vertices ng tetrahedron. Dagdag pa, ang kanilang mga tuktok ay nagsasapawan sa mga di-hybrid na s-orbital ng hydrogen, na bumubuo ng isang solong bono. Ang mga saturated hydrocarbon ay nailalarawan sa pamamagitan ng sp 3 hybridization.

Sa unsaturated alkenes (ang kanilang tipikal na kinatawan ay ethylene), tatlong electron orbitals lamang ang nakikilahok sa hybridization - s at 2 p, tatlong hybrid na orbital ang bumubuo ng isang tatsulok sa espasyo. Ang mga di-hybrid na p-orbital ay nagsasapawan, na lumilikha ng maraming bono sa molekula. Ang klase ng mga organic na hydrocarbon ay nailalarawan sa pamamagitan ng sp 2 hybrid na estado ng carbon atom.

Ang mga alkynes ay naiiba sa nakaraang klase ng mga hydrocarbon dahil dalawang uri lamang ng mga orbital ang lumahok sa proseso ng hybridization: s at p. Ang dalawang di-hybrid na p-electron na natitira sa bawat carbon atom ay magkakapatong sa dalawang direksyon, na bumubuo ng dalawang maramihang mga bono. Ang klase ng hydrocarbons ay nailalarawan sa pamamagitan ng sp-hybrid na estado ng carbon atom.

Konklusyon

Sa pamamagitan ng pagtukoy sa uri ng hybridization sa isang molekula, posible na ipaliwanag ang istraktura ng iba't ibang inorganic at organic na mga sangkap, upang mahulaan ang mga posibleng kemikal na katangian ng isang partikular na sangkap.

Ang isang mahalagang katangian ng isang molekula na binubuo ng higit sa dalawang atomo ay ang nito geometric na pagsasaayos. Natutukoy ito sa pamamagitan ng magkaparehong pag-aayos ng mga atomic na orbital na kasangkot sa pagbuo ng mga bono ng kemikal.

Upang ipaliwanag ang geometric na pagsasaayos ng molekula, ginagamit ang konsepto ng hybridization ng AO ng gitnang atom. Ang excited na beryllium atom ay may 2s 1 2p 1 configuration, ang excited boron atom ay may 2s 1 2p 2 configuration, at ang excited na carbon atom ay may 2s 1 2p 3 configuration. Samakatuwid, maaari nating ipagpalagay na hindi pareho, ngunit ang iba't ibang mga atomic orbital ay maaaring lumahok sa pagbuo ng mga bono ng kemikal. Halimbawa, sa mga compound tulad ng BeCl 2 , BCl 3 , CCl 4 ay dapat na hindi pantay sa enerhiya at direksyon ng bono. Gayunpaman, ipinapakita ng eksperimentong data na sa mga molekula na naglalaman ng mga gitnang atomo na may iba't ibang mga orbital ng valence

(s, p, d), lahat ng koneksyon ay katumbas. Upang malutas ang kontradiksyon na ito, iminungkahi nina Pauling at Slater ang konsepto ng hybridization

Ang mga pangunahing probisyon ng konsepto ng hybridization:

1. Ang mga hybrid na orbital ay nabuo mula sa iba't ibang atomic orbital, hindi masyadong naiiba sa enerhiya,

2. Ang bilang ng mga hybrid na orbital ay katumbas ng bilang ng mga atomic orbital na kasangkot sa hybridization.

3. Ang mga hybrid na orbital ay pareho sa hugis ng electron cloud at sa enerhiya.

4 Kung ikukumpara sa mga atomic na orbital, ang mga ito ay mas pinahaba sa direksyon ng pagbuo ng mga kemikal na bono at samakatuwid ay nagiging sanhi ng mas mahusay na pagsasanib ng mga ulap ng elektron.

Dapat tandaan na ang hybridization ng mga orbital ay hindi umiiral bilang isang pisikal na proseso. Ang paraan ng hybridization ay isang maginhawang modelo para sa visual na paglalarawan ng mga molekula.

Sp hybridization

Ang sp–hybridization ay nagaganap, halimbawa, sa pagbuo ng Be, Zn, Co, at Hg(II) halides. Sa valence state, lahat ng metal halides ay naglalaman ng s- at p-unpaired na mga electron sa kaukulang antas ng enerhiya. Kapag nabuo ang isang molekula, ang isang s- at isang p-orbital ay bumubuo ng dalawang hybrid na sp-orbital sa isang anggulo na 180 o (Larawan 5).

Fig.5 sp hybrid na orbital

Ipinapakita ng data ng eksperimento na ang lahat ng Be, Zn, Cd at Hg(II) halides ay linear at ang parehong mga bono ay may parehong haba.

sp 2 hybridization

Bilang resulta ng kumbinasyon ng isang s-orbital at dalawang p-orbital, tatlong hybrid sp 2 orbital ang nabuo, na matatagpuan sa parehong eroplano sa isang anggulo na 120° sa bawat isa. Ito ay, halimbawa, ang pagsasaayos ng molekula ng BF 3 (Larawan 6):

Fig.6 sp 2 hybrid orbitals

sp 3 hybridization

sp 3 -Ang Hybridization ay katangian ng mga carbon compound. Bilang resulta ng kumbinasyon ng isang s-orbital at tatlong p-orbitals, apat na hybrid sp 3 -orbitals ang nabuo, na nakadirekta sa vertices ng tetrahedron na may anggulo sa pagitan ng mga orbital na 109.5 o. Ang hybridization ay ipinakita sa kumpletong pagkakapareho ng mga bono ng carbon atom sa iba pang mga atomo sa mga compound, halimbawa, sa CH 4, CCl 4, C (CH 3) 4, atbp. (Fig. 7).

Fig.7 sp 3 hybrid orbitals

Ipinapaliwanag ng paraan ng hybridization ang geometry ng molekula ng ammonia. Bilang resulta ng kumbinasyon ng isang 2s at tatlong 2p nitrogen orbital, apat na sp 3 hybrid orbital ang nabuo. Ang pagsasaayos ng molekula ay isang distorted tetrahedron, kung saan ang tatlong hybrid na orbital ay lumahok sa pagbuo ng isang kemikal na bono, at ang ikaapat na may isang pares ng mga electron ay hindi. anggulo sa pagitan N-H bond hindi katumbas ng 90 o tulad ng sa isang pyramid, ngunit hindi katumbas ng 109.5 o katumbas ng isang tetrahedron (Larawan 8):

Fig.8 sp 3 - hybridization sa molekula ng ammonia

Kapag ang ammonia ay nakikipag-ugnayan sa isang hydrogen ion H + + .NH 3 \u003d NH 4 +, bilang isang resulta ng pakikipag-ugnayan ng donor-acceptor, nabuo ang isang ammonium ion, ang pagsasaayos kung saan ay isang tetrahedron.

Ipinapaliwanag din ng hybridization ang pagkakaiba sa anggulo sa pagitan ng mga bono ng O-H sa molekula ng tubig sa sulok. Bilang resulta ng kumbinasyon ng isang 2s at tatlong 2p oxygen orbitals, apat na sp 3 hybrid orbitals ang nabuo, kung saan dalawa lamang ang lumahok sa pagbuo ng isang kemikal na bono, na humahantong sa isang pagbaluktot ng anggulo na naaayon sa tetrahedron (Fig . 9):

Larawan 9 sp 3 - hybridization sa molekula ng tubig

Maaaring kabilang sa hybridization hindi lamang ang s- at p-, kundi pati na rin ang d- at f-orbitals.

Sa sp 3 d 2 hybridization, 6 na katumbas na ulap ang nabuo. Ito ay sinusunod sa mga compound tulad ng 4-, 4- (Fig. 10). Sa kasong ito, ang molekula ay may pagsasaayos ng isang octahedron:

kanin. sampu d 2 sp 3 -hybridization sa ion 4-

Ang mga ideya tungkol sa hybridization ay ginagawang posible na maunawaan ang mga naturang tampok ng istraktura ng mga molekula na hindi maipaliwanag sa anumang iba pang paraan. Ang hybridization ng atomic orbitals (AO) ay humahantong sa isang paglilipat ng electron cloud sa direksyon ng pagbuo ng bono sa iba pang mga atom. Bilang resulta, ang mga nagsasapawan na rehiyon ng mga hybrid na orbital ay lumalabas na mas malaki kaysa sa mga purong orbital, at ang lakas ng bono ay tumataas.

Na-delokalis ang π-bond

Ayon sa pamamaraan ng MVS, ang elektronikong istraktura ng isang molekula ay mukhang isang hanay ng iba't ibang mga scheme ng valence (localized pair method). Ngunit, tulad ng nangyari, imposibleng ipaliwanag ang pang-eksperimentong data sa istraktura ng maraming mga molekula at ion sa mga tuntunin ng naisalokal na pagbubuklod lamang. Ipinapakita ng mga pag-aaral na ang mga σ-bond lamang ang palaging naisalokal. Sa pagkakaroon ng mga π-bond, maaaring magkaroon delokalisasi, kung saan ang bonding electron pair ay sabay na nabibilang sa higit sa dalawang atomic nuclei. Halimbawa, eksperimento na itinatag na ang molekula ng BF 3 ay may isang patag na tatsulok na hugis (Larawan 6). Lahat ng tatlong link

Ang B–F ay katumbas, gayunpaman, ang halaga ng internuclear na distansya ay nagpapahiwatig na ang bono ay intermediate sa pagitan ng single at double. Ang mga katotohanang ito ay maaaring ipaliwanag bilang mga sumusunod. Sa boron atom, bilang isang resulta ng kumbinasyon ng isang s-orbital at dalawang p-orbitals, tatlong hybrid sp 2 orbitals ay nabuo, na matatagpuan sa parehong eroplano sa isang anggulo ng 120 tungkol sa bawat isa, ngunit ang libreng unhybridized p -nananatiling hindi ginagamit ang orbital, at ang mga atomo ng fluorine ay may hindi nakabahaging mga elektronikong pares. Samakatuwid, posibleng bumuo ng π-bond sa pamamagitan ng mekanismo ng donor-acceptor. Ang equivalence ng lahat ng bonds ay nagpapahiwatig ng delokalisasi ng π-bond sa pagitan ng tatlong fluorine atoms.

Ang pormula ng istruktura ng molekula ng BF 3, na isinasaalang-alang ang delokalisasi ng π-bond, ay maaaring ilarawan bilang mga sumusunod (ang hindi lokal na bono ay ipinahiwatig ng isang tuldok na linya):

kanin.11 Ang istraktura ng molekula ng BF 3

Tinutukoy ng hindi-lokal na π-bond ang non-integer multiplicity ng bond. Sa kasong ito, ito ay katumbas ng 1 1/3 dahil sa pagitan ng boron atom at bawat isa sa mga fluorine atom ay mayroong isang σ-bond at 1/3 bahagi ng π-bond.

Sa parehong paraan, ang equivalence ng lahat ng mga bono sa NO 3 - ion ay nagpapahiwatig ng delocalization ng π-bond at ang negatibong singil sa lahat ng oxygen atoms. Sa isang patag na tatsulok na ion NO 3 - (sp 2 -hybridization ng nitrogen atom) na-delocalize

Ang mga π-bond (na inilalarawan ng mga tuldok-tuldok na linya) ay pantay na ipinamamahagi sa pagitan ng lahat ng mga atomo ng oxygen (Larawan 12)

kanin. 12 Structural formula ng NO 3 ion - isinasaalang-alang ang delokalisasi ng π-bond

Katulad nito, ang mga delokkal na π-bond ay pantay na ipinamamahagi sa pagitan ng lahat ng mga atomo ng oxygen sa mga anion: PO 4 3- (sp 3 - hybridization ng phosphorus atom → tetrahedron), SO 4 2- (sp 3 - hybridization ng sulfur atom → tetrahedron) ( Larawan 13)