Τι είναι τα Υβριδισμένα Τροχιακά; Ποιες είναι οι χρήσεις του;

Εισαγωγή:

Σε ένα μόριο, δύο ατομικά τροχιακά ενώνονται για να δημιουργήσουν ένα υβριδικό τροχιακό. Υβριδισμός είναι ο όρος που χρησιμοποιείται για αυτή τη διαδικασία. Τα ατομικά τροχιακά με παρόμοιες ενέργειες συνδυάζονται σε όλη τη διαδικασία υβριδισμού, η οποία συνήθως περιλαμβάνει ανάμειξη δύο τροχιακών ή δύο τροχιακών «p» ή συνδυασμό τροχιακού «s» με τροχιακό «p» και τροχιακού «s» με τροχιακό «d» . Τα υβριδικά τροχιακά είναι ένα από τα νέα τροχιακά που προκύπτουν από αυτή τη διαδικασία. Τα υβριδικά τροχιακά είναι ιδιαίτερα πολύτιμα για την περιγραφή των χαρακτηριστικών ατομικών δεσμών και της γεωμετρίας του μορίου.

Ας πάρουμε το παράδειγμα ενός ατόμου άνθρακα. Το τροχιακό του κελύφους σθένους αναμιγνύεται κατά μήκος τριών τροχιακών p κελύφους σθένους για να δημιουργήσει τέσσερις απλούς δεσμούς. Αυτός ο συνδυασμός παράγει τέσσερα μείγματα υβριδισμού sp3 που είναι συγκρίσιμα. Αυτά θα έχουν μια τετραεδρική δομή από τον άνθρακα που συνδέεται με τέσσερα διαφορετικά άτομα.

Βασικά χαρακτηριστικά του υβριδισμού

Τα ακόλουθα είναι τα βασικά χαρακτηριστικά του υβριδισμού:

• Ο αριθμός των υβριδικών τροχιακών είναι ο ίδιος με αυτόν των υβριδισμένων ατομικών τροχιακών.
• Η ενέργεια και η γεωμετρία των υβριδισμένων τροχιακών είναι πάντα η ίδια.
• Τα καθαρά ατομικά τροχιακά είναι λιγότερο επιτυχημένα από τα υβριδικά τροχιακά στο σχηματισμό σταθερών δεσμών.
• Αυτά τα υβριδικά τροχιακά είναι προσανατολισμένα στο διάστημα προς την επιθυμητή κατεύθυνση για να ελαχιστοποιηθούν οι απωθήσεις ζευγών ηλεκτρονίων και να διατηρηθεί μια σταθερή διαμόρφωση. Ως αποτέλεσμα, το είδος του υβριδισμού που παρουσιάζεται καθορίζει το σχήμα του μορίου.

Ο υβριδισμός απαιτεί ορισμένες συνθήκες 

(i) Τα τροχιακά στο κέλυφος σθένους του ατόμου υβριδοποιούνται.

(ii) Η ενέργεια των τροχιακών που υφίστανται υβριδισμό πρέπει να είναι ίδια.

(iii) Δεν υπάρχει ανάγκη για προώθηση ηλεκτρονίων πριν από τον υβριδισμό.

(iv) Μόνο τα μισογεμισμένα τροχιακά δεν χρειάζεται να συμμετέχουν στον υβριδισμό. Ο υβριδισμός μπορεί να περιλαμβάνει ακόμη και τροχιακά κελύφους πλήρους σθένους σε σπάνιες περιπτώσεις.

Τύποι υβριδισμού

Ο υβριδισμός που περιλαμβάνει τροχιακά s, p και d μπορεί να λάβει διάφορες μορφές. Οι ακόλουθες είναι οι πολλές μορφές υβριδισμού:

(Ι) υβριδισμός sp:Η ανάμειξη ενός s και ενός p τροχιακού παράγει δύο ισοδύναμα υβριδικά τροχιακά sp σε αυτό το είδος υβριδισμού. Εάν τα υβριδικά τροχιακά βρίσκονται κατά μήκος του άξονα z, τα τροχιακά s και pz είναι αποδεκτά για υβριδισμό sp. Κάθε υβριδικό τροχιακό sp έχει 50% χαρακτήρα s και 50% χαρακτήρα p. Ένα μόριο με γραμμική γεωμετρία έχει ένα άτομο πυρήνα υβριδοποιημένο με sp και συνδέεται απευθείας με δύο επιπλέον κεντρικά άτομα. Ο όρος "διαγώνιος υβριδισμός" αναφέρεται σε αυτό το είδος υβριδισμού.

Με προεξέχοντες θετικούς λοβούς και εξαιρετικά μικροσκοπικούς αρνητικούς λοβούς, τα δύο υβρίδια sp δείχνουν σε αντίθετες κατευθύνσεις κατά μήκος του άξονα z, επιτρέποντας πιο αποτελεσματική επικάλυψη και την ανάπτυξη ισχυρότερων συνδέσεων.

(II) υβριδισμός sp2:Ένα s και δύο p-τροχιακά εμπλέκονται σε αυτόν τον υβριδισμό, με αποτέλεσμα τρία ισοδύναμα υβριδισμένα τροχιακά sp2. Η ηλεκτρονική διαμόρφωση του κεντρικού ατόμου βορίου στο μόριο BCl3, για παράδειγμα, είναι 1s22s22p1. Ένα από τα ηλεκτρόνια 2s προωθείται στο μη κατειλημμένο τροχιακό 2p στη διεγερμένη κατάσταση, αφήνοντας το βόριο με τρία ασύζευκτα ηλεκτρόνια.

Τρία sp2 υβριδικά τροχιακά προκύπτουν από τον υβριδισμό. Τα προκύπτοντα τρία υβριδικά τροχιακά επικαλύπτονται με μια τριγωνική επίπεδη διάταξη. Τα τροχιακά 2p του χλωρίου συνδυάζονται για να δημιουργήσουν τρεις δεσμούς μορίων BCl. Με έναν σύνδεσμο Cl-B-Cl, η γεωμετρία είναι τριγωνική επίπεδη σε γωνία 120°.

(III) υβριδισμός sp3:Αυτό το είδος υβριδισμού μπορεί να συζητηθεί χρησιμοποιώντας το μόριο CH4 ως παράδειγμα, όπου ένα s-τροχιακό και τρία ρ-τροχιακά του κελύφους σθένους αναμιγνύονται για να δημιουργήσουν τέσσερα υβριδικά τροχιακά sp3 με ισοδύναμες ενέργειες και σχήματα. Κάθε υβριδικό τροχιακό sp3 έχει 25 τοις εκατό s-χαρακτήρα και 75 τοις εκατό p-χαρακτήρα. Τα τέσσερα υβριδικά τροχιακά sp3 που προκύπτουν είναι στραμμένα προς τις τέσσερις γωνίες του τετραέδρου. Η γωνία μεταξύ κάθε υβριδικού τροχιακού sp3 είναι 109,5°.

Άλλα παραδείγματα sp 3 , sp 2 και sp υβριδισμός 

Υβριδισμός sp3 στο μόριο C2H6:Και τα δύο άτομα άνθρακα στο μόριο αιθανίου είναι σε υβριδική μορφή sp3. Ένα από τα τέσσερα υβριδικά τροχιακά sp3 κάθε ατόμου άνθρακα επικαλύπτεται αξονικά με συγκρίσιμα τροχιακά του άλλου ατόμου για να δημιουργήσει έναν δεσμό σίγμα sp3-sp3, ενώ τα άλλα τρία υβριδικά τροχιακά κάθε ατόμου άνθρακα χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία δεσμών σίγμα sp3-s με υδρογόνο άτομα.

Ως αποτέλεσμα, το μήκος του δεσμού C–C είναι 154 pm, ενώ κάθε μήκος δεσμού C–H είναι 109 pm.

Κατά την κατασκευή του μορίου αιθενίου, ένα από τα υβριδικά τροχιακά sp2 του ατόμου άνθρακα διασταυρώνεται αξονικά με το υβριδισμένο τροχιακό sp2 ενός άλλου ατόμου άνθρακα για να δημιουργήσει τον δεσμό σίγμα C–C. Ο σύνδεσμος άνθρακα-άνθρακα στο μόριο αιθενίου περιλαμβάνει έναν δεσμό sp2-sp2 sigma και έναν δεσμό pi μεταξύ των τροχιακών p που δεν χρησιμοποιούνται στον υβριδισμό και είναι κάθετοι στο επίπεδο του μορίου. το μήκος του ομολόγου είναι 134 μ.μ. Ο δεσμός C–H έχει μήκος 108 pm και είναι sp2–s sigma. Η γωνία δεσμού H–C–H είναι 117,6 μοίρες, ενώ η γωνία δεσμού H–C–C είναι 121 μοίρες.

Συμπέρασμα

Όταν δύο ατομικά τροχιακά συγχωνεύονται για να σχηματίσουν ένα υβριδικό τροχιακό σε ένα απομονωμένο μόριο, συμβαίνει η ανακατανομή της τροχιακής ενέργειας συγκεκριμένων ατόμων, δίνοντας στα τροχιακά την ισοδύναμη ενέργεια. Ο όρος για αυτή τη διαδικασία είναι ο υβριδισμός. Τα νέα τροχιακά που δημιουργούνται λόγω αυτής της διαδικασίας είναι γνωστά ως υβριδικά τροχιακά. Ο Linus Pauling καθιέρωσε την έννοια του ατομικού τροχιακού υβριδισμού για να εξηγήσει τις χαρακτηριστικές μορφές πολυατομικών ενώσεων. Η προβολή και τα γεωμετρικά σχήματα μορίων όπως τα BeCl2, BCl3, CH4, NH3 και H2O εξηγούνται χρησιμοποιώντας υβριδισμό sp, sp2 και sp3 ατομικών τροχιακών των Be, B, C, N και O.