Химия: мистерията и чудесата на хибридните орбитали

Мистерията и чудото на хибридните орбитали

Химия

  • Свързване и структура в ковалентни съединения
  • Ковалентните съединения стават загадъчни
  • Мистерията и чудото на хибридните орбитали
  • Рисуване на структури на Луис
  • Резонансни структури
  • Теория на отблъскване на електронни двойки на валентната обвивка (VSEPR)

За да се разпространят електроните по-далеч от 90 един от друг, трябва да измислим нов модел, който позволява това.

Досега научихме формите и относителните енергии на s-, p-, d- и f-орбитали. Когато обаче атомите образуват ковалентни съединения, атомните орбитали са недостатъчни, тъй като принуждават свързаните атоми да бъдат твърде близо един до друг. Както можете да очаквате, електроните в ковалентни връзки, какъвто е случаят с електроните навсякъде, предпочитат да бъдат възможно най-отдалечени един от друг, защото те се отблъскват. Впоследствие всички орбитали в атома, които съдържат валентни електрони, се комбинират помежду си, за да образуват „хибридни орбитали“.

Вероятно е най-лесно да разберете как работят хибридните орбитали, като ви покажем пример. Нека да разгледаме диаграмата на орбиталното запълване на валентните електрони върху въглерода (вижте „Модерният атом“ за повече информация за диаграмите на орбиталното запълване).

Фигура 10.3 Диаграмата на орбиталното запълване на валентните електрони върху въглерода.

карта на англия ирландия шотландия

Както можете да видите, от четирите валентни орбитали във въглерода, една е запълнена (2s), две са наполовина запълнени (2p), а една е напълно празна. Това може да е електронната конфигурация на несвързания въглероден атом, но не обяснява как въглеродът може да се свърже четири пъти, за да образува метан. В крайна сметка всяка ковалентна връзка изисква припокриване на орбитала, съдържаща по един електрон от всеки атом. Ако този модел беше валиден, нямаше да имаме връзка със s-орбиталата, защото тя вече е пълна, две връзки (по една от две p-орбитали) и една p-орбитала, която беше напълно празна. В резултат на това въглеродът може да се свърже само два пъти, заключение, което не отговаря на реалността.

Молекулярни значения

Хибридни орбитали се образуват чрез смесване на две или повече от най-външните орбитали в атом заедно. Единственият елемент, който не образува хибридни орбитали, е водородът, тъй като той има само една 1s орбитала.

Това, което наистина се случва, когато въглеродните ковалентни връзки с други елементи е, че тези четири разнородни s- и p-орбитали се смесват помежду си, за да образуват четири еднакви хибридизирани орбитали. Имената на тези нови хибридизирани орбитали са комбинация от имената на първоначалните четири атомни орбитали. В нашия пример една s-орбитала се комбинира с три p-орбитали, за да образува четири sp3орбитали:

ч.л. в 1/4 чаша

Фигура 10.4 Когато орбиталите се комбинират, за да образуват хибридни орбитали, както техните форми, така и енергиите се осредняват.

Както можете да видите от тази диаграма, хибридизираната орбитална конфигурация на въглерода позволява място за четири ковалентни връзки, които съвпадат добре с четирите водородни атома, ковалентно свързани в метан.

Както споменахме в „Модерният атом“, s-орбиталите са сферични, а p-орбиталите са под ъгъл 90 градуса една спрямо друга. В резултат на това орбиталите sp3, които се образуват, когато една s- и три p-орбитали се комбинират, ще бъдат подредени под ъгъл, отразяващ смес между тези два вида орбитали (в случая 109,5):

Броят на хибридните орбитали, които се образуват, когато ковалентна молекулна връзка зависи от броя на единичните връзки и двойки несвързани електрони (единични двойки или несподелени електронни двойки), които присъстват в молекулата. Електроните както в единични връзки, така и в несвързани двойки съществуват в хибридни орбитали.

Електроните в множество връзки съществуват в нещо, наречено '? -Орбитала', което се образува, когато нехибридизирана р-орбитала от един атом се припокрива с нехибридизирана р-орбитала от друг атом. Нека видим как работи това в кислорода, О2.

физическа карта на Близкия изток
Къртицата казва

Електроните на несвързаните атоми са разположени в s-, p-, d- и f-орбитали. Електроните в атомите, които са образували ковалентни съединения, съществуват в рамките на хибридни орбитали.

Всеки кислороден атом в O2има две уединени двойки електрони и двойна връзка с другия кислороден атом. Първата от двете връзки между двата кислородни атома изисква хибридни орбитали (тъй като всички единични връзки изискват хибридни орбитали), но втората използва резервната р-орбитала и в двата атома. В резултат на това една s-орбитала се смесва с две p-орбитали, за да образува три sp2орбитали.

Нека да разгледаме как изглеждат орбиталите на всеки кислороден атом.

Фигура 10.7 Трите sp2орбитали, които държат самотната двойка електрони и електроните, споделени в единични връзки, се отдалечават възможно най-далеч една от друга, под 120 ъгъла. P-орбиталите на всеки кислороден атом (не са показани) се припокриват, образувайки двойната връзка.

Трите sp2орбиталите се разпространяват възможно най-далеч една от друга поради отблъскването на електроните. P-орбиталите, които са отговорни за двойната връзка, се припокриват както над, така и под връзката.

Следващата таблица илюстрира всеки тип хибридна орбитала, който обикновено съществува в ковалентни съединения, както и името и ъглите на свързване на всяка орбитала и имената на всяка молекулна форма.

Нехибридизирани припокриващи се орбитали Име на хибридна орбитала Ъгъл на свързване Молекулярна форма
1s, 1p NS 180 линейна
1s, 2p NS2 120 тригонална равнинна
1s, 3p NS3 109.5 тетраедричен
1d, 1s, 3p dsp3 90, 120 тригонален бипирамидален
2d, 1s, 3p д2NS3 90 октаедричен

В общи термини единичните ковалентни връзки между два атома се наричат ​​„сигма връзки“ или? облигации. Тези сигма връзки са създадени от припокриването на две хибридни орбитали. Всяка многократна връзка се нарича 'pi връзка' или? Връзка. Pi връзките се създават от припокриването на нехибридизирани p-орбитали. Използвайки предходната таблица, всеки атом в sp хибридизирания атом по-горе има два? облигации и две? облигации.

Извадено от Пълното ръководство за химия на идиот 2003 от Иън Гуч. Всички права са запазени, включително правото на възпроизвеждане изцяло или частично под каквато и да е форма. Използва се по договаряне с Alpha Books , член на Penguin Group (USA) Inc.

1 1/3 чаша

За да поръчате тази книга директно от издателя, посетете уебсайта на Penguin USA или се обадете на 1-800-253-6476. Можете също да закупите тази книга на адрес Amazon.com и Barnes & Noble .