Az atomi pályák hibridizációja

A Lewis pontszerkezetek segítségével meghatározhatjuk a molekulák kötésmintáit. Ezután a VSEPR segítségével a Lewis-szerkezetek valenciaelektron-párjai alapján megjósolhatjuk a molekulaformákat. Ha már ismerjük a molekulaformát, elkezdhetjük vizsgálni a vegyületek fizikai tulajdonságait. Például most már meg tudjuk jósolni, hogy mely molekulák lesznek polárisak. A polaritás akkor áll fenn, ha egy molekulán belül a töltések elválnak egymástól. Ez a molekulán belüli poláris kötésekből ered, a kötött atomok közötti elektronegativitásbeli különbségek miatt. Például a HF poláris vegyület. A fluor sokkal elektronegatívabb, mint a hidrogén, és a közös kötési elektronpár több időt tölt aF atommag közelében, mint a H atommag közelében.

A dipólusmomentum (töltésegyenlőtlenség) irányát általában egy nyíl jelenléte jelzi, ahogy az alább látható a HF esetében.

Ez azt jelzi, hogy a H részben pozitív töltést (d+)és az F részben negatív töltést (d -) hordoz. Minden kétatomos molekula, amely különböző elektronegativitású atomokat tartalmaz, poláris molekula lesz. Ez befolyásolja fizikai tulajdonságaikat (olvadás- és forráspont, oldhatóság stb.).

Nagyobb molekulákban (kettőnél több atom) a teljes vegyület polaritását a poláris kötések jelenléte és a molekula alakja határozza meg.

A szén-dioxidot, CO2 például összehasonlíthatjuk a kén-dioxiddal, SO2-vel. ALewis-szerkezetük az alábbiakban látható.

A szén és a kén elektronegativitása azonos, sokkal kisebb, mint az oxigéné. Így mindkét vegyületbena kötések egyformán polárisak lesznek. Azonban nagyon eltérőek a fizikai tulajdonságaik, a CO2 -78oC-on forr, a SO2 pedig +22,8oC-on forr, ami 100oC különbség. Ennek nem csak a két poláris kötés jelenlététől kell függenie mindkét molekulában. Ami a különbséget okozza, az a molekula alakja.

A CO2 lineáris molekula lesz, mert a központi szénatomon csak két elektronpár van. Az alább látható alakja lesz.

Amint azt a nyilak jelzik, ebben a molekulában két nagyon poláris kötés van. A CO2 molekuláris alakja miatt azonban ezek ellentétes irányba mutatnak,és kioltják egymást. A CO2 a molekula alakja miatt nem poláris vegyület.

Az alábbiakban egy SO2 molekula alakja látható. A molekula geometriája trigonális lesz a kén három valencia elektronpárja, két kötéspár és egy magányos pár miatt. Ezáltal hajlított molekuláris alakot kap. Ebben a molekulában a dipólusok nem ellentétes irányba mutatnak, és nem semlegesítik egymást. Valójában összeadódnak, és nettó dipolmomentumot adnak. Az SO2 egy pólusvegyület, ami megmagyarázza (amint azt hamarosan látni fogjuk) a megemelkedett forráspontját.

(Kvíz Hasonló példához rajzoljuk meg a BF3 (-99) és az NH3 (-33)

A molekulaforma fontosságának másik jelét a CHCl3 és a CCl4 fizikai tulajdonságainak összehasonlításával láthatjuk. A CHCl3 vízben oldódik, a CCl4 viszont nem. Miért?

Mindkettő tetraéderes geometriájú lesz, 4valencia elektronpárral minden C-n. AC-Cl kötések mind polárisak lesznek. Alakjuk az alábbiakban látható.

A CHCl3 molekulában a három poláris C-Cl kötés összeadódik (vektoros összeadás), így a molekula nettó dipólusmomentumot kap. A CCl4-ben a négy poláris C-Cl kötés megszűnik, így ez egy nem poláris molekula lesz. A víz egy poláris oldószer,amely csak más poláris fajokkal lép kölcsönhatásba, “szereti oldódniakar”.

Valencia kötéselmélet

A VSEPR segítségével megjósolhatjuk a molekulák geometriáját és a molekulák fizikai tulajdonságait. Amit ez a modell nemmagyarázza meg, az a kémiai kötések természete, a molekulák kémiai tulajdonságai. A Lewis elmélet szerint a kémiai kötések akkor jönnek létre, amikor az atomok elektronpárokat osztanak meg egymással. A valenciakötés-elmélet leírja, hogy a kötő fajok orbitáljai hogyan egyesülnek (átfedik egymást)az atomok közötti elektronsűrűség koncentrálása érdekében, hogy kémiai kötések jöjjenek létre. A H2 esetében az egy-egy elektront tartalmazó 1s pályák átfedik egymást a H-H kötés kialakulásához.

Most nézzük a metánt, CH4-et. A Lewis-szerkezet:

VSEPR tetraéderes alakot jósol, a központi atomhoz kötött négy atom alapján.

A hidrogénatomok elektronkonfigurációja 1s1.

A szénatomok elektronkonfigurációja 2s2 2p2.

Minden hidrogénatom 1 elektronnal járulhat hozzá egy C-H kötéshez. Azonban a szénatomokban csak két p pálya rendelkezik párosítatlan elektronokkal, és négy négyértékű C-H kötésnek kell kialakulnia. A négy egyenértékű kötési pálya létrehozásához a szénben a 2s és a három 2p pálya atomos hullámfüggvényeit, Y, matematikailag összekeverjük, hogy új molekuláris hullámfüggvényeket és molekuláris pályákat kapjunk. Egy orbitál és három porbitál keverésével négy hibridorbitál, az úgynevezett sp3-orbitálok jönnek létre. Ezeknek az új molekuláris pályáknak az alakja és orientációja az alábbiakban látható:

A molekuláris, sp3 pályák tetraéderbe rendeződnek,109-es kötésszöggel.5o. A H minden egyes 1s orbitálja átfedésben lesz ezen hibridorbitálok egyikével, így kapjuk meg a metán,CH4, megjósolt tetraéderes geometriáját és alakját.

A hibridizáció az orbitálok energiaszintjeit is megváltoztatja. A szén 2s pályája alacsonyabb energiájú, mint a 2p pályák,mivel áthatóbb.

A hibridizáció után mind a négy hibrid pálya azonos energiájú, alacsonyabb a p pályáknál, de magasabb az s pályáknál. A szén négy valenciaelektronja hozzáadható az energiadiagramhoz ( ). Mindegyik hidrogénnek van egy-egy valenciaelektronja az 1s pályáján ( ). Ezek a szén elektronjaival párosulva négy s(sigma) kötést alkotnak. Ezeket azért hívják szigma kötéseknek (görög fors), mert hibridizált pályákból jönnek létre, amelyek s pályákból származnak.

A hidrogén s pályáinak és a szén sp3pályáinak átfedése miatt az elektronsűrűség közvetlenül az atommagok közé kerül. Ezaz s-kötések tulajdonsága.

Most megnézhetjük az ammónia, az NH3 kötéseit. A Lewis-szerkezet az alábbiakban látható.

VSEPRelőrejelzi a tetraéderes geometriát (egy magányos és három kötőelektronpár) és a trigonális piramis alakot. Ismét négyhibrid pályára lesz szükségünk, amelyet egy s és három p atomi pálya keverésével kapunk a nitrogénben. A nitrogénnek öt valenciaelektronja van ( ).

A három, egy-egy párosítatlan elektronnal rendelkező ( ) hidrogénatom 1s pályái átfedik a nitrogén három rendelkezésre álló sp3 pályáját. Ez három s-kötés és egy magányos elektronpár kialakulásához vezet, amely elfoglalja a negyedik hibrid molekulárisorbitált.

Következő lépésként tekintsük az SF4-et. A Lewis-szerkezet az alábbiakban látható.

VSEPR trigonálbipiramidális geometriát (egy magányos pár és 4 kötéspár) és fűrészalakot jósol. Ahhoz, hogy öt hibrid pálya legyen, öt atomi pályát kell keverni a kénből. A homok p pályák összesen csak4 hibridizált pályát adnak (egy s + 3p), így most hozzáadunk egy dorbitált a keverékhez. Mivel a kén a 3. periódusban van (n = 3), öt d-orbitálisa lesz. Az egyik d-orbitál és a másik négy atomi orbitál (s és három p) keverésével egy dsp3 nevű hibridizáció jön létre, amely öt egyenértékű molekuláris orbitált eredményez.

A fluoratomok sp3 hibridizáltak (3 hosszúpár és egy kötéspár), és a fluor minden egyes sp3 orbitáljának átfedése a kén egy dsp3 orbitáljával egy s-kötést képez.

Az olyan vegyületeknél, mint az SF6, amelyek hat egyenértékű molekuláris pályát igényelnek, keverjünk össze hat atomi pályát, s + p+ p+ p+ p+ d+ d. Ezek d2sp3 hibridizációval rendelkeznek és hat s-kötést képeznek.

A következőkben a formaldehidet,CH2O-t nézzük. Lewis-szerkezete az alábbiakban látható:

A VSEPR azt jósolja, hogy ennek a vegyületnek trigonális síkú geometriája és alakja lesz,mivel a központi szénatomhoz három atom kötődik, és nincsenek magányos párok. Ez azt jelenti, hogy három egyenértékű molekuláris pályának kell lennie. A korábbi példáknál használt módszerrel 3 atomi pályát keverünk, hogy 3 hibridizált molekuláris pályát alkossunk.

A hibridizált pályákat sp2 pályáknak fogjuk nevezni,mivel az s-t a három p atomi pálya közül kettővel kevertük. Az sp2 pályáknak a megjósolt trigonális síkbeli geometriájuk van. Vegyük észre, hogy az egyik porbitál nem változott a hibridizáció során, és magasabb energiaszinttel rendelkezik, mint a hibridizált pályák. Azunhibridizált p-orbitál merőleges az sp2 -orbitálok síkjára, ahogy az alább látható.

Most már ki tudjuk tölteni a szén négy valenciaelektronját.

A négy kötés kialakításához most már a H és O elektronjait is hozzáadhatjuk. Három kötés energiaegyenértékű lesz, de a 4. kötés különbözik. Ez nem a hibridizált pályákból (skötés), hanem a nem hibridizált p pályák átfedéséből fog kialakulni. Ezt p-kötésnek nevezzük (a pi görögül p).

A formaldehid Lewis-szerkezete azt mutatja, hogy az oxigénnek két magányos párja és egy kötése van a központi szénhez. Ehhez ismét3 egyenértékű kötési pályára, sp2 hibridizációra van szükség.

A hibridizált pályákon lévő elektronkonfiguráció azt mutatja, hogy a pályák közül kettőt magányos elektronpárok foglalnak el, a harmadik sp2 pálya pedig s kötést képez a szénnel. A C és Ow hibridizálatlan p-orbitáljai p-kötést fognak képezni.

A kötések az ábrákon színkódoltak. A piros kötések s kötések, ahol a megosztottelektronok közvetlenül az atomok között vannak. A kék kötés p-kötés, amely a C és az O hibridizált p-orbitáljainak oldalirányú átfedéséből jön létre. Ezeket az elektronokat nem közvetlenül a kötésben lévő atomok között tartják. Ehelyett egy laza elektronsűrűségű felhőben vannak a kötés tengelye felett és alatt. E gyenge átfedés miatt a p-kötések gyengébbek, mint az s-kötések, és magasabb potenciális energiával rendelkeznek, ami instabillá teszi őket. A kettős kötések egy s- és egy p-kötésből állnak.

A VSEPR azt jósolja, hogy a formaldehid egy trigonális síkú vegyület, 120 kötésszöggel. Az sp2 hibridizációval rendelkező molekulák 120 kötésszöggel rendelkeznek. A formaldehid szerkezete az alábbiakban látható.

Az oxigén elektronegativitása és a formaldehid molekulaformája miatt poláris vegyület.

A széndioxid Lewis-szerkezete az alábbiakban látható, ismét színkódolt kötésekkel.

Minden atomnak egy nyolctagú elektronja van. A szén 2 s és 2 p kötést létesít az oxigénatomokkal. A 2 s-kötés azt jelzi, hogy 2 ekvivalens molekulapálya van kialakítva. Ahhoz, hogy 2 hibrid molekuláris pályát képezzünk, 2 atomi pályát, egy sorbitált és egy p-orbitált kell összekevernünk. Az így kapott hibrid pályákat sphybrideknek nevezzük. A köztük lévő szög 180o, így a CO2 a VESPR által megjósolt alineáris molekulává válik. A szén két nem hibridizált porbitálja p kötést képez az oxigénatomokhoz.

A szén energiadiagramja a CO2-ben az alábbiakban látható.

Milyen hibridizációval rendelkezik az oxigén a CO2-ben. Minden oxigénnek kétmonopárja van, és egy s- és egy p-kötést képez. Ez azt jelenti, hogy három hibridizáltorbitálisnak és egy nem hibridizált p-orbitálisnak kell lennie ahhoz, hogy a p-kötés létrejöjjön. Ez az sp2 hibridizáció.

Amikor olyan molekulákat vizsgálunk, amelyekben a központi atom körül több mint egy nyolcas elektron van, be kell vonnunk a d-orbitálisokat. Erre példa a PCl5.

A VSEPR trigonális bipiramis geometriát jósol, mivel a központi atom körül öt csoport van. Ahhoz, hogy öt molekuláris pálya legyen, öt atomi pályát kell kevernünk, egy s + három p + egy d. Ezt nevezzük dsp3hibridizációnak. Ezeknek a molekulapályáknak az alakja és orientációja alább látható, a PCl5

Végül elérkeztünk a központi atom körül hat molekulapályával rendelkező molekulákhoz. Erre példa az SF6,amelynek Lewis-szerkezete az alábbiakban látható.

Hat molekulamorbitálra van szükségünk, ezért hat atomiorbitált keverünk össze, egy s + három p + két d, hogy d2sp3 hibridizációt és oktaéderes geometriát kapjunk.