Hybridisering av orbitaler

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 23 december 2018; kontroller kräver 19 redigeringar .

Orbital hybridisering  är en hypotetisk process för att blanda olika atomära orbitaler (s, p, d, f) i centralatomen i en polyatomisk molekyl med utseendet av identiska orbitaler som är likvärdiga i sina regler. Vinkeln mellan hybridorbitaler för sp 3 -hybridisering är 109,5°, för sp 2  är den 120° och för sp  är den 180°.

Begreppet hybridisering

" Begreppet hybridisering av valensatomorbitaler " föreslogs av den amerikanske kemisten Linus Pauling 1931 för att svara på frågan varför, om centralatomen har olika (s, p, d) valensorbitaler, bindningarna som bildas av den i polyatomära molekyler med samma ligander är ekvivalenta i sin energi och rumsliga egenskaper.

Idéer om hybridisering är centrala för metoden för valensbindningar . Hybridisering i sig är inte en verklig fysikalisk process, utan bara en bekväm modell som gör det möjligt att förklara den elektroniska strukturen hos molekyler, i synnerhet hypotetiska modifieringar av atomära orbitaler under bildandet av en kovalent kemisk bindning , i synnerhet inriktningen av kemiska bindningslängder och bindningsvinklar i en molekyl.

Begreppet hybridisering tillämpades framgångsrikt på den kvalitativa beskrivningen av enkla molekyler, men utökades senare till mer komplexa. Till skillnad från teorin om molekylära orbitaler är den inte strikt kvantitativ, till exempel kan den inte förutsäga fotoelektronspektra för ens sådana enkla molekyler som vatten . Det används för närvarande främst för metodiska ändamål och i syntetisk organisk kemi .

1954 tilldelade Nobelkommittén L. Pauling ett pris i kemi "För studiet av den kemiska bindningens natur och dess tillämpning på förklaringen av komplexa molekylers struktur." L. Pauling själv var dock inte nöjd med introduktionen av σ, π - en beskrivning av dubbel- och trippelbindningar och konjugerade system.

1958 , vid ett symposium tillägnat minnet av den tyske organiska kemisten F. A. Kekule , utvecklade L. Pauling teorin om en böjd kemisk bindning , med hänsyn till Coulomb-avstötningen av elektroner . Enligt denna teori beskrevs en dubbelbindning som en kombination av två krökta kemiska bindningar och en trippelbindning som en kombination av tre krökta kemiska bindningar. [ett]

Denna princip återspeglades i Gillespie-Nyholms teori om repulsion av elektronpar , vars första och viktigaste regel formulerades enligt följande:

" Elektroniska par tar ett sådant arrangemang på atomens valensskal, där de är maximalt avlägsnade från varandra, dvs elektronpar beter sig som om de stöter bort varandra" [2] .

Den andra regeln var att "alla elektronpar som ingår i valenselektronskalet anses vara belägna på samma avstånd från kärnan" . [2]

Typer av hybridisering

sp hybridisering

Vid sp-hybridisering blandas den exciterade s-orbitalen av kol med endast en av de tre 2p-orbitalen. Detta kallas sp-hybridisering eftersom två orbitaler (en s och en p) blandas: De resulterande två sp-hybridiserade orbitalerna arrangeras sedan i en linjär geometri (180°) och de två ohybridiserade 2p-orbitalerna arrangeras vid en 90° vinkel: Låt oss se, som det händer i acetylen - C2H2. Två kolatomer bildar en sigmabindning som överlappar sp-orbitalerna. Ett väte binder till varje kolatom och överlappar dess orbital med en annan orbital. De två p-orbitalerna för varje kol överlappar varandra och bildar två π-bindningar. Huvudparametrarna för sp-hybridisering och trippelbindning: * Alla atomer har en linjär struktur; * Vinkeln mellan atomerna är 180°; * En trippelbindning har en σ (sigma) och två π (pi) bindningar.

sp 2 hybridisering

Denna typ av hybridisering sker när en s- och två p-orbitaler blandas. Tre hybridorbitaler bildas med axlar placerade i samma plan och riktade mot triangelns hörn i en vinkel på 120°. Den icke-hybrida p-atomära orbitalen är vinkelrät mot planet och deltar som regel i bildandet av π-bindningar.

sp 3 hybridisering

Denna typ av hybridisering inträffar när en s- och tre p-orbitaler blandas och bildar fyra sp 3 - hybridorbitaler med samma form och energi.

Axlarna för sp 3 -hybridorbitaler är riktade mot tetraederns hörn , medan kärnan i den centrala atomen är belägen i mitten av den beskrivna sfären av denna tetraeder. Vinkeln mellan två valfria axlar är ungefär lika med 109°28' [3] , vilket motsvarar den lägsta elektronrepulsionsenergin. Dessutom kan sp 3 -orbitaler bilda fyra σ-bindningar med andra atomer eller fyllas med ensamma elektronpar. Detta tillstånd är typiskt för kolatomer i mättade kolväten och följaktligen i alkylradikaler och deras derivat.

Hybridisering och geometri av molekyler

Idén om hybridisering av atomära orbitaler ligger till grund för Gillespie-Nyholms teori om avstötning av elektronpar . Varje typ av hybridisering motsvarar en strikt definierad rumslig orientering av den centrala atomens hybridorbitaler, vilket gör att den kan användas som grund för stereokemiska koncept i oorganisk kemi.

Tabellen visar exempel på överensstämmelsen mellan de vanligaste typerna av hybridisering och den geometriska strukturen hos molekyler, förutsatt att alla hybridorbitaler deltar i bildandet av kemiska bindningar (det finns inga odelade elektronpar) [4] .

Typ av hybridisering Antal
hybridorbitaler 		Geometri Strukturera Exempel
sp 2 Linjär

BeF 2 , CO 2 , NO 2 +

sp 2 3 triangulär

BF 3 , NO 3 - , CO 3 2-

sp 3 , d 3 s fyra tetraedrisk

CH4 , CIO4- , SO42- , NH4 + _ _ _

dsp2 _ fyra platt kvadrat [Ni(CN) 4 ] 2- [ PdCl4 ] 2-
sp 3 d 5 Trigonal bipyramidal PCl5 , AsF5 _
sp 3 d 2 , d 2 sp 3 6 Oktaedral SF 6 , Fe(CN) 6 3- , CoF 6 3-

Anteckningar

  1. ↑ Redigerad av R. Kh. Freidlina. Teoretisk organisk kemi. - per. från engelska. cand. chem. vetenskaper Yu.G.Bundel. - M . : Förlag för utländsk litteratur, 1963. - T. 1. - S. 11. - 365 sid.
  2. ↑ 1 2 Gillespie R. Geometry of molecules / Per. från engelska. E.Z. Zasorina och V.S. Mastryukov, red. Yu. A. Pentina. - M . : Mir, 1975. - S. 18-19. — 278 sid.
  3. ↑ Teoretiskt sett är denna vinkel i en vanlig tetraeder arccos(-1/3)≈109°28'.
  4. ↑ Här är A den centrala atomen, X är de hybridbindande orbitaler

Litteratur

Länkar