Υβριδισμός Μορίων Νερού

Το νερό είναι μια ανόργανη ένωση με πολικό μόριο. Σε θερμοκρασία δωματίου, είναι ένα άχρωμο και άοσμο υγρό. Περισσότερες μελέτες έχουν διεξαχθεί για το νερό παρά για οποιαδήποτε άλλη ένωση. Είναι γνωστός ως ο παγκόσμιος διαλύτης και ακόμη και ο διαλύτης της ζωής. Όλες αυτές οι ιδιότητες του νερού είναι αποτέλεσμα της μοριακής του δομής. Το νερό είναι η πιο άφθονη ένωση στην επιφάνεια της Γης μαζί με το τρίτο πιο άφθονο μόριο μετά το μοριακό υδρογόνο και το μονοξείδιο του άνθρακα.

Σύνδεση σε μόρια νερού

Τα μόρια του νερού σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου μεταξύ τους λόγω της πολικής φύσης των μορίων. Η πολική φύση είναι αποτέλεσμα της μοριακής γεωμετρίας του νερού. Αυτή η πολικότητα των μορίων κάνει τα ιόντα στα άλατα να διασπώνται και προκαλεί επίσης το σχηματισμό δεσμών με οξέα και αλκοόλη. Ως εκ τούτου, το νερό είναι γνωστό ως ένας γενικός διαλύτης. Αυτός ο δεσμός υδρογόνου έχει ως αποτέλεσμα τα πολλά μοναδικά χαρακτηριστικά του νερού.

Χαρακτηριστικά του νερού που προκαλούνται από δεσμούς υδρογόνου

●  Η στερεή μορφή του νερού είναι λιγότερο πυκνή από την υγρή μορφή.

●  Το σημείο βρασμού των 100 βαθμών Κελσίου είναι σχετικά υψηλό για τη μοριακή του μάζα.

●  Αποκτά υψηλή θερμική ικανότητα.

Μοριακή δομή του μορίου του νερού

Το μόριο του νερού είναι πολικό. Αυτό συμβαίνει επειδή τα δύο μεμονωμένα ζεύγη ηλεκτρονίων που μένουν στο οξυγόνο μετά το σχηματισμό δεσμών με άτομα υδρογόνου ωθούν τα τροχιακά, κάνοντας το μόριο του νερού να αποκτήσει ένα μη γραμμικό, λυγισμένο σχήμα.

Υβριδισμός μορίων νερού

Τα μόρια που έχουν περισσότερα από δύο άτομα που συνδέονται μεταξύ τους για το σχηματισμό τους απαιτούν ένα πιο περίπλοκο μοντέλο από εκείνα που σχηματίζονται από δύο άτομα. Το μόριο του νερού είναι ένα τέτοιο παράδειγμα πολλαπλών ατόμων που ενώνονται για να σχηματίσουν ένα μόριο.

Το μόριο του νερού αποτελείται από ένα άτομο οξυγόνου και δύο άτομα υδρογόνου. Η ηλεκτρονική διαμόρφωση του οξυγόνου είναι 1s22s22p4. Κάθε ένα από τα δύο τροχιακά 2p έχει ένα ζεύγος ασύζευκτων ηλεκτρονίων. Εάν η θεωρία του δεσμού σθένους χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της μοριακής γεωμετρίας, θα πρότεινε ότι ο δεσμός O-H θα σχηματιζόταν από την επικάλυψη του τροχιακού 2p του οξυγόνου με το τροχιακό 1s του υδρογόνου. Αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα η γωνία σύνδεσης να είναι 90 μοίρες.

Ωστόσο, με τη διεξαγωγή πειραμάτων διαπιστώθηκε ότι ο δεσμός μεταξύ οξυγόνου και υδρογόνου είναι 104,5 μοίρες. Αυτή η διαφορά στο αποτέλεσμα εξηγείται από κβαντομηχανικούς υπολογισμούς.

Υπάρχει ένας μαθηματικός κανόνας που ονομάζεται κυματική συνάρτηση. Αυτή η κυματική συνάρτηση περιγράφει την κυματική φύση των ηλεκτρονίων. Όταν τα άτομα συνδυάζονται, αυτή η κυματική συνάρτηση παράγει διαφορετικά σχήματα τροχιακών. Αυτός ο συνδυασμός των κυματοσυναρτήσεων των ατομικών τροχιακών ονομάζεται υβριδισμός. Τα τροχιακά που σχηματίζονται ως αποτέλεσμα του υβριδισμού ονομάζονται υβριδικά τροχιακά.

Ένα απομονωμένο άτομο οξυγόνου έχει ένα τροχιακό 2s και τρία τροχιακά 2p στα τροχιακά σθένους. Αλλά όταν ένα άτομο οξυγόνου συνδυάζεται με άτομα υδρογόνου σε ένα μόριο νερού, το τροχιακό σθένους διαφέρει. Σε αυτήν την περίπτωση, τα τροχιακά σθένους του οξυγόνου γίνονται τέσσερα υβριδικά τροχιακά, με κάθε τροχιακό να δείχνει προς τις γωνίες ενός υποθετικού τετραέδρου.

Χαρακτηριστικά υβριδισμού

Υπάρχουν ορισμένα χαρακτηριστικά και προϋποθέσεις που είναι απαραίτητες για τον υβριδισμό ενός μοριακού τροχιακού. Αυτά είναι τα εξής:

●  Τα υβριδικά τροχιακά σχηματίζονται όταν εμφανίζεται ομοιοπολικός δεσμός. Δεν μπορούν να εμφανιστούν σε μεμονωμένα άτομα.

●  Τα σχήματα και οι προσανατολισμοί των υβριδικών τροχιακών διαφέρουν από εκείνα τα τροχιακά που βρίσκονται σε μεμονωμένα άτομα.

●  Τα υβριδικά τροχιακά είναι αποτέλεσμα του συνδυασμού ατομικών τροχιακών. Έτσι, ο συνολικός αριθμός των υβριδικών τροχιακών μπορεί να ληφθεί μετρώντας τον αριθμό των συνδυασμένων ατομικών τροχιακών.

●  Όλα τα υβριδικά τροχιακά που ανήκουν σε ένα συγκεκριμένο σύνολο έχουν το ίδιο σχήμα και ενέργεια.

●  Η γεωμετρία του ζεύγους ηλεκτρονίων ενός μορίου είναι ο αποφασιστικός παράγοντας για τον τύπο του υβριδικού σχηματισμού τροχιών.

●  Τα υβριδικά τροχιακά επικαλύπτονται και σχηματίζουν δεσμούς σίγμα μεταξύ τους.

Συμπέρασμα

Ο υβριδισμός του νερού είναι το αποτέλεσμα του συνδυασμού των κυματοσυναρτήσεων των τροχιακών σθένους οξυγόνου και υδρογόνου. Ο λόγος για τον οποίο ο προσανατολισμός των τροχιακών δεν είναι γραμμικός όπως προβλέπεται από τη θεωρία του δεσμού σθένους είναι επειδή τα μόνα ζεύγη ηλεκτρονίων στο άτομο οξυγόνου ενός μορίου νερού ωθούν τα τροχιακά από τους γραμμικούς προσανατολισμούς τους. Ο υβριδισμός των μορίων του νερού τα κάνει να έχουν πολλές μοναδικές ιδιότητες που είναι ζωτικής σημασίας για τη διατήρηση της ζωής στη Γη.