Hybridizace orbitalů

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 23. prosince 2018; kontroly vyžadují 19 úprav .

Orbitální hybridizace  je hypotetický proces míšení různých atomových orbitalů (s, p, d, f) centrálního atomu polyatomové molekuly s výskytem identických orbitalů, které jsou ekvivalentní ve svých pravidlech. Úhel mezi hybridními orbitaly pro hybridizaci sp 3 je 109,5°, pro sp 2 je  to 120° a pro sp  180°.

Pojem hybridizace

" Koncept hybridizace valenčních atomových orbitalů " byl navržen americkým chemikem Linusem Paulingem v roce 1931 , aby odpověděl na otázku, proč, pokud má centrální atom různé (s, p, d) valenční orbitaly, vazby jím tvořené v polyatomických molekulách se stejnými ligandy jsou ekvivalentní ve svých energetických a prostorových charakteristikách.

Myšlenky o hybridizaci jsou ústřední pro metodu valenčních vazeb . Hybridizace sama o sobě není skutečný fyzikální proces, ale pouze pohodlný model, který umožňuje vysvětlit elektronovou strukturu molekul, zejména hypotetické modifikace atomových orbitalů při tvorbě kovalentní chemické vazby , zejména zarovnání chemických délky vazeb a vazebných úhlů v molekule.

Koncept hybridizace byl úspěšně aplikován na kvalitativní popis jednoduchých molekul, ale později byl rozšířen na složitější. Na rozdíl od teorie molekulárních orbitalů není striktně kvantitativní, například není schopna předpovědět fotoelektronová spektra ani tak jednoduchých molekul, jako je voda . V současnosti se využívá především pro metodologické účely a v syntetické organické chemii .

V roce 1954 Nobelova komise udělila L. Paulingovi cenu za chemii "Za studium povahy chemické vazby a její aplikaci k vysvětlení struktury komplexních molekul." Sám L. Pauling se však nespokojil se zavedením σ, π - popisu pro dvojné a trojné vazby a konjugované systémy.

V roce 1958 na sympoziu věnovaném památce německého organického chemika F. A. Kekuleho rozvinul L. Pauling teorii ohýbané chemické vazby , která vzala v úvahu Coulombovo odpuzování elektronů . Podle této teorie byla dvojná vazba popsána jako kombinace dvou zakřivených chemických vazeb a trojná vazba jako kombinace tří zakřivených chemických vazeb. [jeden]

Tento princip se odrazil v Gillespie-Nyholmově teorii odpuzování elektronových párů , jejíž první a nejdůležitější pravidlo bylo formulováno takto:

„ Elektronové páry zaujímají na valenčním obalu atomu takové uspořádání, ve kterém jsou od sebe maximálně vzdáleny, tj. elektronové páry se chovají, jako by se odpuzovaly“ [2] .

Druhým pravidlem bylo, že „všechny elektronové páry obsažené ve valenčním elektronovém obalu se považují za umístěné ve stejné vzdálenosti od jádra“ . [2]

Typy hybridizace

sp hybridizace

Při hybridizaci sp se excitovaný orbital uhlíku smíchá pouze s jedním ze tří orbitalů 2p. Toto se nazývá sp-hybridizace, protože dva orbitaly (jeden s a jeden p) jsou smíchány: Výsledné dva sp-hybridizované orbitaly jsou pak uspořádány v lineární geometrii (180°) a dva nehybridizované 2p-orbitaly jsou uspořádány pod úhlem 90°. úhel: Podívejme se, jak se to děje v acetylenu - C2H2. Dva atomy uhlíku tvoří sigma vazbu, překrývající sp orbitaly. Jeden vodík se váže na každý atom uhlíku a překrývá jeho orbital s jiným orbitalem. Dva orbitaly p každého uhlíku se překrývají a tvoří dvě vazby π. Hlavní parametry sp hybridizace a trojné vazby: * Všechny atomy mají lineární strukturu; * Úhel mezi atomy je 180°; * Trojná vazba má jednu σ (sigma) a dvě π (pi) vazby.

hybridizace sp 2

K tomuto typu hybridizace dochází, když se smísí jeden s- a dva p-orbitaly. Jsou vytvořeny tři hybridní orbitaly s osami umístěnými ve stejné rovině a směřujícími k vrcholům trojúhelníku pod úhlem 120°. Nehybridní p-atomový orbital je kolmý k rovině a zpravidla se podílí na tvorbě π-vazeb.

hybridizace sp 3

K tomuto typu hybridizace dochází, když se smísí jeden s- a tři p-orbitaly, čímž se vytvoří čtyři hybridní orbitaly sp 3 stejného tvaru a energie.

Osy sp 3 -hybridních orbitalů směřují k vrcholům čtyřstěnu , zatímco jádro centrálního atomu se nachází ve středu popisované sféry tohoto čtyřstěnu. Úhel mezi libovolnými dvěma osami je přibližně roven 109°28' [3] , což odpovídá nejnižší energii odpuzování elektronů. Také sp 3 -orbitaly mohou tvořit čtyři σ-vazby s jinými atomy nebo být vyplněny osamělými páry elektronů. Tento stav je typický pro atomy uhlíku v nasycených uhlovodících a tedy v alkylových radikálech a jejich derivátech.

Hybridizace a geometrie molekul

Myšlenka hybridizace atomových orbitalů je základem Gillespie-Nyholmovy teorie odpuzování elektronových párů . Každý typ hybridizace odpovídá přesně definované prostorové orientaci hybridních orbitalů centrálního atomu, což umožňuje jeho použití jako základ stereochemických konceptů v anorganické chemii.

Tabulka ukazuje příklady korespondence mezi nejběžnějšími typy hybridizace a geometrickou strukturou molekul za předpokladu, že se na tvorbě chemických vazeb podílejí všechny hybridní orbitaly (nejsou zde žádné nesdílené elektronové páry) [4] .

Typ hybridizace Počet
hybridních orbitalů 		Geometrie Struktura Příklady
sp 2 Lineární

BeF2 , CO2 , NO2 + _

sp 2 3 trojúhelníkový

BF 3 , NO 3 - , CO 3 2-

sp 3 , d 3 s čtyři čtyřstěnný

CH4 , Cl04- , SO42- , NH4 + _ _ _

dsp2 _ čtyři plochý čtverec [Ni(CN) 4 ] 2- [ PdCl4 ] 2-
sp 3 d 5 Trigonální bipyramidový PCl5 , AsF5 _
sp 3 d 2 , d 2 sp 3 6 Oktaedrální SF 6 , Fe(CN) 6 3- , CoF 6 3-

Poznámky

  1. ↑ Editoval R. Kh. Freidlina. Teoretická organická chemie. - za z angličtiny. cand. chem. vědy Yu.G.Bundel. - M . : Nakladatelství zahraniční literatury, 1963. - T. 1. - S. 11. - 365 s.
  2. ↑ 1 2 Gillespie R. Geometrie molekul / Per. z angličtiny. E. Z. Zasorina a V. S. Mastryukov, ed. Yu.A. Pentina. - M .: Mir, 1975. - S. 18-19. — 278 s.
  3. ↑ Teoreticky je tento úhel v pravidelném čtyřstěnu arccos(-1/3)≈109°28'.
  4. ↑ Zde A je centrální atom, X jsou hybridní vazebné orbitaly

Literatura

Odkazy