Hybridizace atomových orbitalů

K určení vazebných vzorců v molekulách můžeme použít Lewisovy bodové struktury. Pomocí VSEPR pak můžeme předpovídat tvary molekul na základě valenčních elektronových párů Lewisových struktur. Jakmile známe molekulový tvar, můžeme se začít zabývat fyzikálními vlastnostmi sloučenin. Například bychom nyní měli být schopni předpovědět, které molekuly budou polární. Polarita existuje, když je v molekule oddělen náboj. Ta vzniká v důsledku polárních vazeb v molekule, a to v důsledku rozdílných hodnot elektronegativity mezi vázanými atomy. Například HF je polární sloučenina. Fluor je mnohem elektronegativnější než vodík a sdílený pár vazebných elektronů bude trávit více času v blízkosti jádraF než v blízkosti jádra H.

Směr dipólového momentu (nerovnováha nábojů) je obvykle vyznačen přítomností šipky, jak je uvedeno níže pro HF.

To znamená, že H bude nést částečný kladný náboj (d+)a F bude nést částečný záporný náboj (d -). Všechny dvouatomové molekuly obsahujícíatomy s různou elektronegativitou budou polární molekuly. To ovlivní jejich fyzikální vlastnosti (teploty tání a varu, rozpustnost atd.).

U větších molekul (více než dva atomy) bude polarita celé sloučeniny určena přítomností polárních vazeb a tvarem molekuly.

Příklad můžeme porovnat oxid uhličitý, CO2s oxidem siřičitým, SO2. JejichLewisovy struktury jsou uvedeny níže.

Uhlík a síra mají stejnou elektronegativitu, mnohem menší než kyslík. V obou sloučeninách tedy budou vazby stejně polární. Mají však velmi rozdílné fyzikálnívlastnosti, CO2 vře při -78oC a SO2vře při +22,8oC, což je rozdíl 100oC. To musí záviset nejen na přítomnosti dvou polárních vazeb v každé molekule. To, co dělá rozdíl, je tvar molekuly.

CO2 bude lineární molekula, protože na centrálním atomu uhlíku jsou pouze dva elektronové páry. Bude mít tvar znázorněný níže.

Jak naznačují šipky, vtéto molekule jsou dvě velmi polární vazby. Vzhledem kmolekulárnímu tvaru CO2 však směřují opačným směrem,a proto se vyruší. CO2je díky svému molekulárnímu tvaru nepolární sloučenina.

Níže je znázorněn tvar molekuly SO2. Její molekulová geometrie bude trigonálníz důvodu tří valenčních elektronových párů na síře, dvou vazebných párů a osamělého páru. To jí dává ohnutý molekulový tvar. V této molekule nesměřují dipóly do opačných směrů a nevyruší se. Ve skutečnosti se sčítají a vytvářejí čistý dipólový moment. SO2 je polární sloučenina, což vysvětluje (jak brzy uvidíme) její zvýšenou teplotu varu.

(Kvíz Pro podobný příklad nakreslete Lewisovy struktury BF3(-99) a NH3 (-33)

Další náznak důležitosti molekulového tvaru lze vidět při porovnání fyzikálních vlastností CHCl3 a CCl4. CHCl3 se rozpouští ve vodě, zatímco CCl4 nikoli. Proč?

Obě budou mít tetraedrickou geometrii se 4valenčními páry elektronů na každém C. Všechny vazbyCl budou polární. Jejich tvary jsou znázorněny níže.

V molekule CHCl3 se tři polární vazby C-Clsčítají (vektorová adice), čímž vzniká čistý dipólový moment molekuly. V molekule CCl4 se čtyři polární vazby C-Cl vyruší, čímž se tato molekula stane nepolární. Voda je polární rozpouštědlo,které interaguje pouze s jinými polárními druhy, „rádo se rozpouští rádo“.

Teorie valenční vazby

Pomocí VSEPR můžeme předpovídat geometrii molekul a fyzikální vlastnosti molekul. Co tento model nevysvětluje, je povaha chemické vazby, chemické vlastnostimolekul. Lewisova teorie navrhla, že chemické vazby vznikají, když atomy sdílejí elektronové páry. Teorie valenčních vazeb popisuje, jak se orbitaly vazebných druhů slučují (překrývají), aby se koncentrovala elektronová hustota mezi atomy a vznikly chemické vazby. V případě H2 se orbitaly 1s, z nichž každý obsahuje jeden elektron, překrývají a vytvářejí vazbu H-H.

Nyní uvažujme metan, CH4. Lewisova struktura je:

VSEPR předpovídá čtyřstěnný tvar na základě čtyř atomů vázaných k centrálnímu atomu.

Atomy vodíku mají elektronovou konfiguraci 1s1.

Atomy uhlíku mají elektronovou konfiguraci 2s2 2p2.

Každý z atomů vodíku můžepřispět 1 elektronem k vazbě C-H.

Všechny atomy vodíku mají elektronovou konfiguraci 1s1. V atomech uhlíku jsou však pouze dva p orbitaly, které mají nepárové elektrony, a je třeba vytvořit čtyřiekvivalentní vazby C-H. Abychom vytvořili čtyři ekvivalentní vazebné orbitaly v uhlíku, smícháme matematicky atomové vlnové funkce Y pro 2s a tři 2p orbitaly a získáme nové molekulové vlnové funkce a molekulové orbitaly. Smícháním jednoho orbitalu se třemi porbitály vzniknou čtyři hybridní orbitaly, nazývané sp3 orbitaly. Tvar a orientace těchto nových molekulových orbitalů jsou znázorněny níže:

Molekulární, sp3 orbitaly jsou uspořádány do tetraedru s vazebnými úhly 109.5o. Každý z 1s orbitalů Hse překrývá s jedním z těchto hybridorbitalů, čímž vzniká předpokládaná tetraedrická geometrie a tvar methanu,CH4.

Hybridizace také mění energetické hladiny orbitalů. Orbital 2s uhlíku má nižší energii než orbital 2p,protože je pronikavější.

Po hybridizaci mají všechny čtyři hybridní orbitaly stejnou energii, nižší než p orbitaly, ale vyšší než s orbitaly. Čtyři valenční elektrony na uhlíku lzedoplnit do energetického diagramu ( ). Každý z vodíků má jeden valenčníelektron ve svém 1s orbitalu ( ). Ty se spárují s elektrony uhlíku a vytvoří čtyři vazby s(sigma). Tyto vazby se nazývají sigma vazby (řecky fors), protože vznikají z hybridizovaných orbitalů, které jsou výsledkem s orbitalů.

Překrytí s orbitalů vodíku a sp3orbitalů uhlíku klade elektronovou hustotu přímo mezi jádra. To jevlastnost s-vazby.

Můžeme se nyní podívat na vazby v amoniaku, NH3. Lewisova struktura je znázorněna níže.

VSEPRpředpovídá tetraedrickou geometrii (jeden osamělý pár a tři vazebné páryelektronů) a trigonální pyramidální tvar. Opět budeme potřebovat čtyřihybridní orbitaly, které získáme smícháním jednoho s a tří p atomových orbitalů v dusíku. Dusík má pět valenčních elektronů ( ).

Tři atomy vodíku s jedním nepárovým elektronem na každý ( ) budou překrývat své orbitaly 1s se třemi dostupnými orbitaly sp3 na dusíku. To vede ke vzniku tří s-vazby a osamělého páru elektronů obsazujícího čtvrtý hybridní molekulový orbital.

Dále uvažujme SF4. Lewisova struktura je znázorněna níže.

VSEPR předpovídá trigonálníbipyramidální geometrii (jeden osamělý pár a 4 vazebné páry) a viz tvar pily. Abychom měli pět hybridních orbitalů, musíme smíchat pět atomových orbitalů ze síry. Pískové p orbitaly dávají celkem pouze4 hybridní orbitaly (jeden s + 3p), takže nyní do směsi přidáme jeden dorbital. Protože síra je v periodě 3 (n = 3), bude mít pět d orbitalů. Smícháním jednoho z d orbitalů s ostatními čtyřmi atomovými orbitaly (s a třemi p) vznikne hybridizace zvaná dsp3, kteráposkytuje pět ekvivalentních molekulových orbitalů.

Atomy fluoru jsou sp3 hybridizovány (3 dlouhé páry a jeden vazebný pár) a překrytí každého sp3 orbitalu na fluoru s dsp3 orbitálem na síře vytvoří svazbu.

U sloučenin, jako je SF6, které vyžadují šest ekvivalentních molekulových orbitalů, smícháme šest atomárních orbitalů, s + p+ p+ p+ d+ d. Ty by měly hybridizaci d2sp3 a tvořily by šest vazeb s.

Dále se můžeme podívat na formaldehyd,CH2O. Jeho Lewisova struktura je znázorněna níže:

VSEPR předpovídá, že tato sloučenina bude mít trigonální rovinnou geometrii a tvar, protože k centrálnímu atomu uhlíku jsou vázány tři atomy a žádné dlouhé páry. To znamená, že musí existovat tři ekvivalentní molekulové orbitaly. Podle metody, kterou jsme použili v předchozíchpříkladech, smícháme 3 atomové orbitaly a vytvoříme 3 hybridizované molekulové orbitaly.

Hybridizované orbitaly budeme nazývat sp2 orbitaly, protože jsme smíchali s se dvěma ze tří p atomových orbitalů. Orbitaly sp2 majípředpokládanou trigonální rovinnou geometrii. Všimněte si, že jeden z porbitálů nebyl při hybridizaci změněn a má vyšší energetickou hladinu než hybridizované orbitaly. Nehybridizovaný p orbital je kolmý na rovinu sp2 orbitalů, jak je znázorněno níže.

Nyní můžeme doplnit čtyři valenční elektrony z uhlíku.

Nyní můžeme přidat elektrony z H a O a vytvořit čtyři vazby. Tři z vazeb budou energeticky ekvivalentní, ale čtvrtá vazba je odlišná. Nevytvoří ji hybridizované orbitaly (svazba), ale vznikne překrytím nehybridizovaných p orbitalů. Tato vazba se nazývá p (řecky pi).

Lewisova struktura pro formaldehyd ukazuje, že kyslík má dva osamělé páry a vazbu s centrálním uhlíkem. To opět vyžaduje3 ekvivalentní vazebné orbitaly, sp2 hybridizaci.

Elektronová konfigurace v hybridizovaných orbitalech ukazuje, že do z orbitalůbudou obsazeny osamělé páry elektronů a třetí sp2 orbital bude tvořit s vazbu s uhlíkem. Nehybridizované orbitaly p na C a Ow budou tvořit vazbu p.

Vazby v diagramech jsou barevně označeny. Červené vazby jsou s vazby se sdílenýmielektrony drženými přímo mezi atomy. Modrá vazba je p vazba, tvořená překrytím nehybridizovaných p orbitalů na C aO ze strany na stranu. Tyto elektrony nejsou drženy přímo mezi vázanými atomy. Místo toho jsou drženy ve volném oblaku elektronové hustoty nad a pod osou vazby. Kvůli tomuto slabému překryvu jsou p-vazby slabší než s-vazby a mají vyšší potenciální energii, což je činí nestabilními. Dvojné vazby se skládají z jedné s-vazby a jedné p-vazby.

VSEPR předpovídá, že formaldehyd je trigonální planární sloučenina se 120 vazebnými úhly. Molekuly s hybridizací sp2 mají 120vazbové úhly. Struktura formaldehydu je znázorněna níže.

Jedná se o polární sloučeninuvzhledem k elektronegativitě kyslíku a tvaru molekuly formaldehydu.

Níže je znázorněna Lewisova struktura oxidu uhličitého, opět s barevně označenými vazbami.

Každý atom má oktet elektronů. Uhlík vytváří 2 s a 2 pvazby s atomy kyslíku. Vazby 2 s naznačují, že jsou vytvořeny 2 ekvivalentní molekulové orbitaly. Abychom vytvořili 2 hybridní molekulové orbitaly, musímesmíchat 2 atomové orbitaly, sorbital a p orbital. Vzniklé hybridní orbitaly se nazývají sfybridy. Úhel mezi nimi je 180o a tvoří tak alineární molekulu CO2, jak předpovídá VESPR. Dva nehybridizované porbitaly na uhlíku tvoří p vazby s atomy kyslíku.

Níže je uveden energetický diagram pro uhlík v CO2.

Jaká je hybridizace kyslíku v CO2. Každý kyslík má dvaolonové páry a tvoří jednu s vazbu a jednu p vazbu. To znamená, že musí existovat tři hybridizované orbitaly a jeden nehybridizovaný p orbital, aby vznikla p-vazba. Jedná se o sp2 hybridizaci.

Pokud uvažujeme o molekulách s více než oktetem elektronů kolem centrálního atomu, budeme muset zapojit d orbitaly. Příkladem je PCl5.

VSEPR předpovídá trigonální bipyramidální geometrii, protože kolem centrálního atomu je pět skupin. Abychom měli pět molekulových orbitalů, budeme muset smíchat pětatomových orbitalů, jeden s + tři p + jeden d. Tomu se říká dsp3hybridizace. Tvary a orientace těchto orbitalů jsou uvedeny níže vedle struktury PCl5

Nakonec se dostáváme k molekulám se šesti orbitaly kolem centrálního atomu. Příkladem je SF6,jehož Lewisova struktura je znázorněna níže.

Potřebujeme šest molekulových orbitalů, takže smícháme šest atomových orbitalů, jeden s + tři p + dva d, abychom získali hybridizaci d2sp3a osmistěnnou geometrii.

.