Chemische Hybridisierung sp, sp2, sp3

Die chemische Hybridisierung ist die "Mischung" der Atomorbitale, deren Konzept 1931 vom Chemiker Linus Pauling eingeführt wurde, um die Unvollkommenheiten der Theorie der Verbindung von Valencia (TEV) abzudecken. Welche Unvollkommenheiten? Dies sind: die molekularen Geometrien und die äquivalenten Verbindungslängen in Molekülen wie Methan (CH₄).

Nach dem TEV bilden in Methan die Atomorbitale von C vier σ-Bindungen mit vier H-Atomen, während die 2p-Orbitale mit Formasformen (unteres Bild) von C senkrecht aufeinander stehen, so dass die Hs voneinander getrennt sein sollten. von anderen in einem Winkel von 90º.

Zusätzlich ist das 2s (sphärische) Orbital von C mit dem 1s-Orbital des H in einem Winkel von 135º in Bezug auf die anderen drei H verbunden. Es wurde jedoch experimentell gefunden, dass die Winkel in der CH-Achse₄ sie sind 109,5º, und außerdem sind die Längen der CH-Bindungen äquivalent.

Um dies zu erklären, muss eine Kombination der ursprünglichen Atomorbitale betrachtet werden, um vier degenerierte Hybridorbitale (mit gleicher Energie) zu bilden. Hier kommt die chemische Hybridisierung ins Spiel. Wie sind Hybridorbitale? Es hängt von den Atomorbitalen ab, die sie erzeugen. Ebenso weisen sie eine Mischung elektronischer Eigenschaften auf.

Index

• 1 Sp3-Hybridisierung
  • 1.1 Interpretation
  • 1.2 Abweichungen der Winkel von Verbindungen
• 2 Hybridisierung sp2
• 3 Hybridisierung sp
• 4 Referenzen

Hybridisierung sp³

Im Fall von CH₄die Hybridisierung von C ist sp³. Aus diesem Ansatz wird die Molekülgeometrie mit vier sp-Orbitalen erklärt³ bei 109,5º getrennt und auf die Ecken eines Tetraeders zeigend.

Im obigen Bild können Sie sehen, wie die Orbitale sp sind³ (grün) stellen Sie eine tetraedrische elektronische Umgebung um das Atom her (A, das ist C für CH)₄).

Warum 109,5º und keine anderen Winkel, um eine andere Geometrie zu "zeichnen"? Der Grund ist, weil dieser Winkel die elektronischen Abstoßungen der vier Atome minimiert, die mit A verbunden sind.

Auf diese Weise ist das CH-Molekül₄ es kann als Tetraeder (tetraedrische Molekülgeometrie) dargestellt werden.

Wenn H statt C Verbindungen zu anderen Atomgruppen bildet, was wäre dann seine Hybridisierung? Solange der Kohlenstoff vier σ-Bindungen (C-A) bildet, wird seine Hybridisierung sp³.

Es kann angenommen werden, dass in anderen organischen Verbindungen wie CH₃OH, CCl₄, C (CH₃)₄, C₆H₁₂ (Cyclohexan) usw. hat der Kohlenstoff eine sp-Hybridisierung³.

Dies ist grundlegend, um organische Strukturen zu skizzieren, in denen Kohlenstoffe mit einfachen Bindungen Divergenzpunkte darstellen; Das heißt, die Struktur bleibt nicht in einer einzigen Ebene.

Interpretation

Was ist die einfachste Interpretation für diese Hybridorbitale ohne die mathematischen Aspekte (Wellenfunktionen) zu berücksichtigen? Die sp-Orbitale³ sie implizieren, dass sie von vier Orbitalen herrühren: eins und drei p.

Weil die Kombination dieser Atomorbitale ideal sein soll, die vier sp-Orbitale³ die resultierenden sind identisch und besetzen unterschiedliche Orientierungen im Raum (wie in den Orbitalen p_x, p_und und p_z).

Das Obige gilt für den Rest der möglichen Hybridisierungen: Die Anzahl der gebildeten Hybridorbitale ist die gleiche wie die der kombinierten Atomorbitale. Zum Beispiel sp Hybrid Orbitale³d² sie sind aus sechs Atomorbitalen gebildet: eins s, drei p und zwei d.

Abweichungen der Winkel von Verbindungen

Gemäß der Theorie der Abstoßung der elektronischen Paare der Valencianischen Schicht (VSEPR) nimmt ein Paar freier Elektronen mehr Volumen ein als ein verknüpftes Atom. Dies bewirkt, dass sich die Verbindungen wegbewegen, wodurch die elektronische Spannung verringert und die Winkel von 109,5º umgelenkt werden:

Zum Beispiel sind im Wassermolekül die H-Atome an die sp-Orbitale gebunden³ (in grün), und auch die nicht gemeinsam genutzten Elektronenpaare besetzen diese Orbitale.

Die Abstoßungen dieser Elektronenpaare werden üblicherweise als "zwei Kugeln mit Augen" dargestellt, die aufgrund ihres Volumens die beiden Bindungen σ O-H abstoßen.

Im Wasser sind die Winkel der Verbindungen also tatsächlich 105º anstatt der erwarteten 109,5º für die tetraedrische Geometrie.

Welche Geometrie hat H dann?₂O? Es hat eine Winkelgeometrie. Warum? Weil, obwohl elektronische Geometrie tetraedrisch ist, zwei Paare nicht geteilter Elektronen davon zu einer eckigen molekularen Geometrie ablenken.

Hybridisierung sp²

Wenn ein Atom zwei p- und s-Orbitale kombiniert, erzeugt es drei sp²; ein Orbital p bleibt jedoch unverändert (weil sie drei sind), was im oberen Bild als oranger Balken dargestellt wird.

Hier die drei sp-Orbitale² Sie sind grün, um ihren Unterschied zum orangefarbenen Balken hervorzuheben: das "reine" Orbital.

Ein Atom mit sp-Hybridisierung² kann als ein flacher trigonaler Boden visualisiert werden (das Dreieck mit den sp-Orbitalen)² grün), mit ihren Scheitelpunkten, die um 120º-Winkel und senkrecht zu einem Balken getrennt sind.

Und welche Rolle spielt das p-Orbital? Das der Bildung einer Doppelbindung (=). Die sp-Orbitale² Sie ermöglichen die Bildung von drei σ-Bindungen, während das reine p-Orbital eine π-Bindung (eine Doppel- oder Dreifachbindung impliziert eine oder zwei π-Bindungen) aufweist.

Um beispielsweise die Carbonylgruppe und die Struktur des Formaldehydmoleküls (H₂C = O), läuft wie folgt ab:

Die sp-Orbitale² sowohl C als auch O bilden eine Bindung σ, während ihre reinen Orbitale eine Bindung π (das orange Rechteck) bilden.

Man kann sehen, wie der Rest der elektronischen Gruppen (H-Atome und nicht-geteilte Elektronenpaare) in den anderen sp-Orbitalen lokalisiert ist.², getrennt durch 120º.

Hybridisierung sp

Das obere Bild zeigt ein Atom A mit sp-Hybridisierung. Hier kombinieren ein Orbital s und ein p-Orbital zwei degenerierte sp-Orbitale. Allerdings bleiben nun zwei reine p-Orbitale unverändert, die es A erlauben, zwei Doppelbindungen oder eine Dreifachbindung (≡) zu bilden.

Mit anderen Worten: wenn in einer Struktur a C dem Obigen entspricht (= C = oder C = C), dann ist seine Hybridisierung sp. Für andere weniger veranschaulichende Atome - wie die Übergangsmetalle - ist die Beschreibung der elektronischen und molekularen Geometrien kompliziert, da auch die Orbitale d und sogar die f berücksichtigt werden.

Die Hybridorbitale sind durch einen Winkel von 180º getrennt. Aus diesem Grund sind die verknüpften Atome in einer linearen Molekülgeometrie (B-A-B) angeordnet. Im Bild unten sehen Sie schließlich die Struktur des Cyanidanions:

Referenzen

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