Pangunahing konsepto ng organikong kimika. Hybridization

Isang polyatomic molecule na may hitsura ng magkatulad na mga orbital na katumbas ng kanilang mga katangian.

Encyclopedic YouTube

1 / 3

Hybridization ng mga orbital ng elektron

Cytology. Lektura 46. Orbital hybridization

Hybrid sp3 orbitals

Mga subtitle

Konsepto ng hybridization

Konsepto ng hybridization ng valence atomic orbitals ay iminungkahi ng Amerikanong chemist na si Linus Pauling na sagutin ang tanong kung bakit, kung ang gitnang atom ay may iba't ibang (s, p, d) valence orbital, ang mga bono na nabuo nito sa mga polyatomic molecule na may parehong ligand ay magiging katumbas ng kanilang enerhiya at spatial na katangian.

Ang mga ideya tungkol sa hybridization ay sumasakop sa isang sentral na lugar sa paraan ng mga valence bond. Ang hybridization mismo ay hindi isang tunay na pisikal na proseso, ngunit lamang maginhawang modelo, na ginagawang posible na ipaliwanag ang elektronikong istraktura ng mga molekula, lalo na ang mga hypothetical na pagbabago ng mga atomic orbital sa panahon ng pagbuo ng isang covalent chemical bond, lalo na, ang pagkakahanay ng mga haba ng mga bono ng kemikal at mga anggulo ng bono sa molekula.

Ang konsepto ng hybridization ay matagumpay na inilapat sa husay na paglalarawan ng mga simpleng molekula, ngunit kalaunan ay pinalawak sa mas kumplikadong mga. Hindi tulad ng teorya ng molecular orbitals, ito ay hindi mahigpit na quantitative halimbawa, hindi nito kayang hulaan ang photoelectron spectra ng kahit na simpleng mga molekula gaya ng tubig. Kasalukuyang ginagamit pangunahin para sa mga layuning pamamaraan at sa sintetikong organikong kimika.

Ang prinsipyong ito ay makikita sa teorya ng Gillespie-Nyholm ng pagtanggi ng mga pares ng elektron, ang una at pinaka mahalagang tuntunin na nabuo tulad ng sumusunod:

Ang pangalawang panuntunan ay iyon "lahat ng mga pares ng elektron na kasama sa valence electron shell ay itinuturing na matatagpuan sa parehong distansya mula sa nucleus".

Mga uri ng hybridization

sp-Hybridization

Nangyayari kapag naghalo ang isang s- at isang p-orbital. Dalawang katumbas na sp-atomic orbitals ang nabuo, na matatagpuan sa linearly sa isang anggulo na 180 degrees at nakadirekta sa magkaibang panig mula sa nucleus ng gitnang atom. Ang dalawang natitirang di-hybrid na p-orbital ay matatagpuan sa magkaparehong patayo na mga eroplano at lumalahok sa pagbuo ng mga π bond o sumasakop sa mga hindi nakabahaging pares ng mga electron.

sp 2 -Hybridization

Nangyayari kapag naghalo ang isang s- at dalawang p-orbital. Ang tatlong hybrid na orbital ay nabuo na may mga palakol na matatagpuan sa parehong eroplano at nakadirekta sa mga vertices ng tatsulok sa isang anggulo ng 120 degrees. Ang non-hybrid p-atomic orbital ay patayo sa eroplano at, bilang panuntunan, ay kasangkot sa pagbuo ng mga π bond.

sp 3 -Hybridization

Nangyayari kapag pinaghalo ang isang s- at tatlong p-orbital, na bumubuo ng apat na sp 3 hybrid na orbital na may pantay na hugis at enerhiya. Maaari silang bumuo ng apat na bono ng σ sa iba pang mga atomo o mapuno ng nag-iisang pares ng mga electron.

Ang mga axes ng sp 3 hybrid orbitals ay nakadirekta patungo sa vertices ng tetrahedron, habang ang nucleus ng central atom ay matatagpuan sa gitna ng circumscribed sphere ng tetrahedron na ito. Ang anggulo sa pagitan ng alinmang dalawang palakol ay humigit-kumulang 109°28", na tumutugma sa pinakamababang enerhiya ng pagtanggi ng elektron. Gayundin, ang mga sp 3 orbital ay maaaring bumuo ng apat na σ bond sa iba pang mga atomo o mapuno ng nag-iisang pares ng mga electron. Ang estadong ito ay tipikal para sa carbon atoms sa saturated hydrocarbons at, nang naaayon, sa mga alkyl radical at ang kanilang mga derivatives.

Hybridization at molecular geometry

Ang konsepto ng hybridization ng atomic orbitals ay sumasailalim sa Gillespie-Nyholm theory ng repulsion ng mga pares ng elektron. Ang bawat uri ng hybridization ay tumutugma sa isang mahigpit na tinukoy na spatial na oryentasyon ng mga hybrid na orbital ng gitnang atom, na nagpapahintulot na magamit ito bilang batayan para sa mga stereochemical na konsepto sa inorganic na kimika.

Ang talahanayan ay nagpapakita ng mga halimbawa ng pagsusulatan sa pagitan ng mga pinakakaraniwang uri ng hybridization at ang geometriko na istraktura ng mga molekula, sa ilalim ng pagpapalagay na ang lahat ng mga hybrid na orbital ay kasangkot sa pagbuo ng mga bono ng kemikal (walang nag-iisang pares ng elektron).

Marami tayong naririnig tungkol sa mga hybrid. Pinag-uusapan sila ng mga pelikula at libro, at sinusuri din sila ng agham. Sa unang dalawang pinagmumulan, ang mga hybrid ay lubhang mapanganib na mga nilalang. Maaari silang magdala ng maraming kasamaan. Ngunit ang hybridization ay hindi palaging isang masamang bagay. Kadalasan ito ay mabuti.

Ang isang halimbawa ng hybridization ay ang bawat tao. Lahat tayo ay hybrid ng dalawang tao - ama at ina. Kaya, ang pagsasanib ng isang itlog at isang tamud ay isa ring uri ng hybridization. Ang mekanismong ito ang nagpapahintulot sa ebolusyon na sumulong. Sa kasong ito, nangyayari rin ang hybridization na may negatibong tanda. Tingnan natin hindi pangkaraniwang bagay na ito pangkalahatan.

Pangkalahatang ideya ng hybridization

Gayunpaman, hindi lamang biology ang kasama konseptong ito. At hayaan ang pagpapakilala na isaalang-alang ang isang halimbawa na may mga hybrid bilang ganap na mga indibidwal ng isang hindi maintindihan na biological species. Bukod dito, ang konseptong ito ay maaaring gamitin sa ibang mga agham. At ang kahulugan ng terminong ito ay bahagyang naiiba. Ngunit sa parehong oras, mayroon pa ring isang bagay na karaniwan. Ito ang salitang "unyon", na pinagsasama ang lahat ng posibleng kahulugan ng terminong ito.

Saan umiiral ang konseptong ito?

Ang terminong "hybridization" ay ginagamit sa isang bilang ng mga agham. At dahil ang karamihan sa kasalukuyang umiiral na mga disiplina ay nagsasapawan, maaari nating ligtas na pag-usapan ang paggamit ng bawat kahulugan ng terminong ito sa anumang agham, isang paraan o iba pang konektado sa mga natural na larangan ng pananaliksik. Kasabay nito, ang terminong ito ay pinaka-aktibong ginagamit sa:

1. Biology. Dito nagmula ang konsepto ng hybrid. Bagaman, gaya ng dati, kapag lumipat mula sa agham patungo sa pang-araw-araw na buhay nagkaroon ng ilang maling representasyon ng mga katotohanan. Ang ibig sabihin ng hybrid ay isang indibidwal na nagreresulta mula sa pagtawid sa dalawang iba pang mga species. Bagama't hindi ito palaging nangyayari.
2. Chemistry. Ang konseptong ito ay nangangahulugan ng paghahalo ng ilang mga orbital - natatanging mga landas ng paggalaw ng elektron.
3. Biochemistry. Dito pangunahing konsepto ay DNA hybridization.

Tulad ng makikita mo, ang ikatlong punto ay nasa kantong ng dalawang agham. At ito ay ganap na normal na pagsasanay. Ang isa at ang parehong termino ay maaaring bumuo ng isang ganap na naiibang kahulugan sa junction ng dalawang agham. Tingnan natin ang konsepto ng hybridization sa mga agham na ito.

Ano ang hybrid?

Ang hybrid ay isang nilalang na nilikha sa pamamagitan ng proseso ng hybridization. Ang konseptong ito ay nauugnay sa biology. Ang mga hybrid ay maaaring makuha alinman sa hindi sinasadya o sa layunin. Sa unang kaso, ang mga ito ay maaaring maging mga hayop na nilikha sa proseso ng pagsasama ng dalawang magkaibang species ng mga nilalang.

Halimbawa, pinag-uusapan nila ang tungkol sa mga pusa at aso na may mga anak na wala sa kanila. Minsan ang mga hybrid ay sadyang nilikha. Halimbawa, kapag ang isang cherry ay nakakabit sa isang aprikot, nakikitungo kami sa isang espesyal na hybridization.

Hybridization sa biology

Ang biology ay isang kawili-wiling agham. At ang konsepto ng hybridization ay hindi gaanong kaakit-akit. Ang terminong ito ay tumutukoy sa kumbinasyon ng genetic material mula sa iba't ibang mga cell sa isa. Ang mga ito ay maaaring mga kinatawan ng isang species o ilang. Alinsunod dito, mayroong isang dibisyon sa mga ganitong uri ng hybridization.

• Intraspecific hybridization. Ito ay kapag ang dalawang indibidwal ng parehong species ay lumikha ng isang supling. Ang isang halimbawa ng intraspecific hybridization ay ang mga tao. Nakuha ito sa pamamagitan ng proseso ng pagsasanib ng mga cell ng mikrobyo ng mga kinatawan ng isang biological species.
• Interspecific hybridization. Ito ay kapag katulad, ngunit kabilang sa iba't ibang mga species, ang mga hayop ay tumawid. Halimbawa, isang hybrid ng isang kabayo at isang zebra.
• Malayong hybridization. Ito ay kapag ang mga kinatawan ng hindi bababa sa parehong mga species ay nag-interbreed, ngunit hindi pinagsama ng mga ugnayan ng pamilya.

Ang bawat isa sa mga varieties ay nakakatulong hindi lamang sa ebolusyon. Aktibong sinusubukan din ng mga siyentipiko na mag-crossbreed iba't ibang uri mga buhay na nilalang. Ito ay pinakamahusay na gumagana sa mga halaman. Mayroong ilang mga dahilan para dito:

• Iba't ibang bilang ng mga chromosome. Ang bawat species ay hindi lamang isang tiyak na bilang ng mga chromosome, kundi isang hanay din ng mga ito. Ang lahat ng ito ay nakakasagabal sa pagpaparami ng mga supling.
• Ang mga hybrid na halaman lamang ang maaaring magparami. At hindi palaging ganoon ang kaso.
• Ang mga halaman lamang ang maaaring maging polyploid. Para magparami ang isang halaman, dapat itong maging polyploid. Sa kaso ng mga hayop, ito ay tiyak na kamatayan.
• Posibilidad ng vegetative hybridization. Ito ay napaka-simple at maginhawang paraan paglikha ng mga hybrid ng ilang mga halaman.

Ito ang mga dahilan kung bakit mas madali at mas epektibo ang pagtawid sa dalawang halaman. Sa kaso ng mga hayop, maaaring posible na makamit ang posibilidad ng pagpaparami sa hinaharap. Ngunit sa sa ngayon Ang opisyal na opinyon sa biology ay ang mga hybrid na hayop ay nawawalan ng kakayahang magparami, dahil ang mga indibidwal na ito ay genetically unstable. Samakatuwid, hindi alam kung ano ang maaaring humantong sa kanilang pagpaparami.

Mga uri ng hybridization sa biology

Ang biology ay isang medyo malawak na agham sa pagdadalubhasa nito. Mayroong dalawang uri ng hybridization na ibinibigay nito:

1. Genetic. Ito ay kapag ang dalawang selula ay ginawang isa na may natatanging hanay ng mga chromosome.
2. Biochemical. Ang isang halimbawa ng ganitong uri ay ang DNA hybridization. Ito ay kapag nagsasama-sama ang mga pantulong na nucleic acid upang bumuo ng isang DNA.

Maaaring hatiin ng higit pa barayti. Ngunit ginawa namin ito sa nakaraang subsection. Kaya, ang malayo at intraspecific na hybridization ay mga bahagi ng unang uri. At doon lumalawak pa ang klasipikasyon.

Ang konsepto ng vegetative hybridization

Ang vegetative hybridization ay isang konsepto sa biology na nangangahulugan ng isang uri ng pagtawid ng dalawang halaman kung saan ang bahagi ng isang species ay nag-ugat sa isa pa. Iyon ay, ang hybridization ay nangyayari dahil sa kumbinasyon ng dalawa iba't ibang bahagi katawan. Oo, ito ay kung paano mo mailalarawan ang isang halaman. Pagkatapos ng lahat, mayroon din siyang sariling mga organo, na nagkakaisa sa isang buong sistema. Samakatuwid, kung ang isang halaman ay tinatawag mong isang organismo, walang masama doon.

Ang vegetative hybridization ay may isang bilang ng mga pakinabang. ito:

• Kaginhawaan.
• pagiging simple.
• Kahusayan.
• Praktikal.

Ang mga pakinabang na ito ay gumagawa ng ganitong uri ng crossbreeding na napakapopular sa mga hardinero. Mayroon ding isang bagay tulad ng somatic hybridization. Ito ay kapag hindi mga cell ng mikrobyo ang tumawid, ngunit ang mga somatic cell, o sa halip, ang kanilang mga protoplast. Ang pamamaraang ito ng pagtawid ay isinasagawa kapag imposibleng lumikha ng isang hybrid sa pamamagitan ng karaniwang sekswal na paraan sa pagitan ng ilang mga halaman.

Hybridization sa kimika

Ngunit ngayon ay umatras tayo ng kaunti mula sa biology at pag-uusapan ang tungkol sa isa pang agham. Ang Chemistry ay may sariling konsepto, ito ay tinatawag na "hybridization ng atomic orbitals." Ito ay isang napakakomplikadong termino, ngunit kung naiintindihan mo ang isang maliit na kimika, kung gayon walang kumplikado tungkol dito. Una kailangan nating ipaliwanag kung ano ang isang orbital.

Ito ay isang uri ng landas kung saan gumagalaw ang elektron. Itinuro sa amin ito sa paaralan. At kung mangyari na ang mga orbital na ito iba't ibang uri halo-halong, isang hybrid ang nakuha. May tatlong uri ng phenomenon na tinatawag na "orbital hybridization". Ito ang mga sumusunod na varieties:

• sp hybridization - isa s at ang isa p orbital;
• sp 2 hybridization - isa s at dalawang p orbital;
• sp 3 hybridization - pinagsama ang isa s at tatlong p orbital.

Ang paksang ito ay medyo masalimuot na pag-aralan, at dapat itong isaalang-alang na hindi mapaghihiwalay mula sa natitirang bahagi ng teorya. Bukod dito, ang konsepto ng orbital hybridization ay higit na nag-aalala sa pagtatapos ng paksang ito, kaysa sa simula. Pagkatapos ng lahat, kailangan mong pag-aralan ang mismong konsepto ng mga orbital, kung ano ang mga ito, at iba pa.

Mga konklusyon

Kaya, naunawaan namin ang kahulugan ng konsepto ng "hybridization". Ito ay lumalabas na medyo kawili-wili. Para sa marami ito ay isang pagtuklas na ang kimika ay mayroon ding ganitong konsepto. Ngunit kung hindi ito alam ng gayong mga tao, ano ang matututuhan nila? At kaya, mayroong pag-unlad. Mahalagang huwag ihinto ang pagsasanay sa iyong karunungan, dahil tiyak na makikilala ka nito sa magandang panig.

Noong 1930, binuo nina Slater at L. Pauling ang teorya ng pagbuo ng mga covalent bond dahil sa overlap ng electronic orbitals - ang valence bond method. Ang pamamaraang ito ay batay sa paraan ng hybridization, na naglalarawan sa pagbuo ng mga molekula ng mga sangkap dahil sa "paghahalo" ng mga hybrid na orbital ("hindi ang mga electron ang pinaghalo, ngunit ang mga orbital").

DEPINISYON

Hybridization– paghahalo ng mga orbital at pagkakahanay ng kanilang hugis at enerhiya. Kaya, kapag pinaghahalo ang s- at p-orbitals, nakukuha natin ang uri ng hybridization ng sp, s- at 2 p-orbitals - sp 2, s- at 3 p-orbitals - sp 3. Mayroong iba pang mga uri ng hybridization, halimbawa, sp 3 d, sp 3 d 2 at mas kumplikado.

Pagpapasiya ng uri ng hybridization ng mga molekula na may covalent bond

Ang uri ng hybridization ay matutukoy lamang para sa mga molecule na may covalent bond ng type AB n, kung saan ang n ay mas malaki kaysa o katumbas ng dalawa, A ang central atom, B ang ligand. Tanging ang mga valence orbital ng gitnang atom ay sumasailalim sa hybridization.

Alamin natin ang uri ng hybridization gamit ang halimbawa ng BeH 2 molecule.

Sa una, isinulat namin ang mga elektronikong pagsasaayos ng gitnang atom at ligand at gumuhit ng mga electron graphic formula.

Ang beryllium atom (central atom) ay may mga bakanteng 2p orbital, samakatuwid, upang tanggapin ang isang electron mula sa bawat hydrogen atom (ligand) upang bumuo ng isang BeH 2 molecule, kailangan itong pumunta sa isang excited na estado:

Ang pagbuo ng BeH 2 molecule ay nangyayari dahil sa overlap ng valence orbitals ng Be atom

* Ang mga electron ng hydrogen ay ipinahiwatig sa pula, at ang mga electron ng beryllium sa itim.

Ang uri ng hybridization ay tinutukoy kung aling mga orbital ang nagsasapawan, ibig sabihin, ang BeH 2 molecule ay nasa sp - hybridization.

Bilang karagdagan sa mga molekula ng komposisyon AB n, ang paraan ng mga valence bond ay maaaring matukoy ang uri ng hybridization ng mga molekula na may maraming mga bono. Tingnan natin ang halimbawa ng ethylene molecule C 2 H 4 . Ang molekula ng ethylene ay may maramihang dobleng bono, na nabuo ng at - mga bono. Upang matukoy ang hybridization, isinulat namin ang mga elektronikong pagsasaayos at gumuhit ng mga electron graphic formula ng mga atom na bumubuo sa molekula:

6 C 2s 2 2s 2 2p 2

Ang carbon atom ay may isa pang bakanteng p-orbital, samakatuwid, upang tanggapin ang 4 na hydrogen atoms kailangan itong pumunta sa isang excited na estado:

Ang isang p-orbital ay kinakailangan upang makabuo ng isang -bond (naka-highlight sa pula), dahil ang -bond ay nabuo sa pamamagitan ng magkakapatong na "pure" (non-hybrid) na mga p-orbital. Ang natitirang mga orbital ng valence ay napupunta sa hybridization. Kaya, ang ethylene ay nasa sp 2 hybridization.

Pagpapasiya ng geometriko na istraktura ng mga molekula

Ang geometriko na istraktura ng mga molekula, pati na rin ang mga kasyon at anion ng komposisyon AB n, ay maaaring matukoy gamit ang pamamaraang Gillespie. Ang pamamaraang ito ay batay sa mga pares ng valence ng mga electron. Ang geometric na istraktura ay naiimpluwensyahan hindi lamang ng mga electron na kasangkot sa pagbuo ng isang kemikal na bono, kundi pati na rin ng nag-iisang mga pares ng elektron. Sa pamamaraan ni Gillespie, ang bawat nag-iisang pares ng mga electron ay itinalagang E, ang gitnang atom ay itinalagang A, at ang ligand ay itinalagang B.

Kung walang nag-iisang pares ng elektron, ang komposisyon ng mga molekula ay maaaring AB 2 ( linear na istraktura molecules), AB 3 (flat triangle structure), AB4 (tetrahedral structure), AB 5 (trigonal bipyramid structure) at AB 6 (octahedral structure). Maaaring makuha ang mga derivative mula sa mga pangunahing istruktura kung ang isang solong pares ng elektron ay lilitaw sa halip na isang ligand. Halimbawa: AB 3 E (pyramidal structure), AB 2 E 2 (angular na istraktura ng molekula).

Upang matukoy ang geometric na istraktura (istraktura) ng isang molekula, kinakailangan upang matukoy ang komposisyon ng particle, kung saan kinakalkula ang bilang ng mga lone electron pairs (LEP):

NEP = ( kabuuang bilang valence electron – ang bilang ng mga electron na ginamit upang bumuo ng mga bono na may mga ligand) / 2

Ang bono na may H, Cl, Br, I, F ay nangangailangan ng 1 elektron mula sa A, ang bono sa O ay kumukuha ng 2 elektron, at ang bono na may N ay kumukuha ng 3 elektron mula sa gitnang atom.

Tingnan natin ang halimbawa ng molekula ng BCl 3. Ang gitnang atom ay B.

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

NEP = (3-3)/2 = 0, samakatuwid walang nag-iisang mga pares ng elektron at ang molekula ay may istraktura AB 3 - isang patag na tatsulok.

Ang detalyadong geometric na istraktura ng mga molekula ng iba't ibang komposisyon ay ipinakita sa Talahanayan. 1.

Talahanayan 1. Spatial na istraktura ng mga molekula

Mga halimbawa ng paglutas ng problema

HALIMBAWA 1

Hybridization ng atomic orbitals at molecular geometry

Mahalagang katangian isang molekula na binubuo ng higit sa dalawang atomo ay nito geometric na pagsasaayos. Ito ay tinutukoy kamag-anak na posisyon atomic orbitals na kasangkot sa pagbuo ng mga kemikal na bono.

Ang pag-overlay ng mga ulap ng elektron ay posible lamang sa isang tiyak na oryentasyon ng mga ulap ng elektron; sa kasong ito, ang overlap na rehiyon ay matatagpuan sa isang tiyak na direksyon na may paggalang sa mga nakikipag-ugnayan na mga atomo.

Talahanayan 1 Hybridization ng mga orbital at spatial na pagsasaayos ng mga molekula

Ang isang excited na beryllium atom ay may configuration na 2s 1 2p 1, isang excited boron atom ay may configuration na 2s 1 2p 2, at isang excited na carbon atom ay may configuration na 2s 1 2p 3. Samakatuwid, maaari nating ipagpalagay na hindi pareho, ngunit ang iba't ibang mga atomic orbital ay maaaring lumahok sa pagbuo ng mga bono ng kemikal. Halimbawa, sa mga compound tulad ng BeCl 2, BeCl 3, CCl 4 dapat mayroong mga bono ng hindi pantay na lakas at direksyon, at ang mga σ-bond mula sa mga p-orbital ay dapat na mas malakas kaysa sa mga bono mula sa mga s-orbital, dahil para sa mga p-orbital mayroong mas kanais-nais na mga kondisyon para sa overlap. Gayunpaman, ipinapakita ng karanasan na sa mga molekula na naglalaman ng mga gitnang atomo na may iba't ibang mga orbital ng valence (s, p, d), lahat ng mga bono ay katumbas. Isang paliwanag para dito ay ibinigay nina Slater at Pauling. Napagpasyahan nila na ang iba't ibang mga orbital, na hindi masyadong naiiba sa enerhiya, ay bumubuo ng katumbas na bilang ng mga hybrid na orbital. Ang mga hybrid (halo-halong) orbital ay nabuo mula sa iba't ibang atomic orbitals. Ang bilang ng mga hybrid na orbital ay katumbas ng bilang ng mga atomic na orbital na kasangkot sa hybridization. Ang mga hybrid na orbital ay magkapareho sa hugis at enerhiya ng ulap ng elektron. Kung ikukumpara sa mga atomic orbital, ang mga ito ay mas pinahaba sa direksyon ng pagbuo ng mga kemikal na bono at samakatuwid ay nagbibigay ng mas mahusay na overlap ng mga ulap ng elektron.

Ang hybridization ng mga atomic orbital ay nangangailangan ng enerhiya, kaya ang mga hybrid na orbital sa isang nakahiwalay na atom ay hindi matatag at may posibilidad na maging purong AO. Kapag nabuo ang mga bono ng kemikal, ang mga hybrid na orbital ay nagpapatatag. Dahil sa mas malakas na mga bono na nabuo ng mga hybrid na orbital, mas maraming enerhiya ang inilabas mula sa system at samakatuwid ang sistema ay nagiging mas matatag.

Ang sp-hybridization ay nangyayari, halimbawa, sa panahon ng pagbuo ng Be, Zn, Co at Hg (II) halides. Sa valence state, lahat ng metal halides ay naglalaman ng katumbas antas ng enerhiya s at p hindi magkapares na mga electron. Kapag nabuo ang isang molekula, ang isang s at isang p orbital ay bumubuo ng dalawang hybrid sp orbital sa isang anggulo na 180 degrees.

Fig.3 sp hybrid na orbital

Ipinapakita ng pang-eksperimentong data na ang lahat ng Be, Zn, Cd at Hg(II) halides ay linear at ang parehong mga bono ay may parehong haba.

sp 2 hybridization

Bilang resulta ng hybridization ng isang s-orbital at dalawang p-orbital, tatlong hybrid sp 2 orbitals ang nabuo, na matatagpuan sa parehong eroplano sa isang anggulo na 120 o sa bawat isa. Ito ay, halimbawa, ang pagsasaayos ng molekula ng BF 3:

Fig.4 sp 2 hybridization

sp 3 hybridization

Ang sp 3 hybridization ay katangian ng mga carbon compound. Bilang resulta ng hybridization ng one s orbital at three

p-orbitals, apat na hybrid sp 3 orbitals ang nabuo, na nakadirekta patungo sa vertices ng tetrahedron na may anggulo sa pagitan ng mga orbital na 109.5 o. Ang hybridization ay ipinakita sa kumpletong pagkakapareho ng mga bono ng carbon atom sa iba pang mga atomo sa mga compound, halimbawa, sa CH 4, CCl 4, C(CH 3) 4, atbp.

Fig.5 sp 3 hybridization

Kung ang lahat ng mga hybrid na orbital ay konektado sa parehong mga atomo, kung gayon ang mga bono ay hindi naiiba sa bawat isa. Sa ibang mga kaso, nangyayari ang mga bahagyang paglihis mula sa karaniwang mga anggulo ng bono. Halimbawa, sa molekula ng tubig H 2 O, ang oxygen - sp 3 -hybrid, ay matatagpuan sa gitna ng isang hindi regular na tetrahedron, sa mga vertices kung saan ang dalawang hydrogen atoms at dalawang nag-iisang pares ng mga electron ay "tumingin" (Fig. 2) . Ang hugis ng molekula ay angular kung titingnan mula sa mga sentro ng mga atomo. Ang anggulo ng bono ng HOH ay 105°, na medyo malapit sa theoretical value na 109°.

Fig.6 sp 3 - hybridization ng oxygen at nitrogen atoms sa mga molekula a) H 2 O at b) NCl 3.

Kung walang hybridization ("alignment" O-H bond), ang anggulo ng bono ng HOH ay magiging 90° dahil ang mga atomo ng hydrogen ay ikakabit sa dalawang magkaparehong patayo na p orbital. Sa kasong ito, maaaring magmukhang ganap na iba ang ating mundo.

Ipinapaliwanag ng teorya ng hybridization ang geometry ng molekula ng ammonia. Bilang resulta ng hybridization ng 2s at tatlong 2p orbitals ng nitrogen, apat na sp 3 hybrid orbitals ang nabuo. Ang pagsasaayos ng molekula ay isang pangit na tetrahedron, kung saan ang tatlong hybrid na orbital ay lumahok sa pagbuo ng isang kemikal na bono, ngunit ang ikaapat na may isang pares ng mga electron ay hindi. Mga anggulo sa pagitan N-H bond hindi katumbas ng 90° tulad ng sa isang pyramid, ngunit hindi rin katumbas ng 109.5°, na katumbas ng isang tetrahedron.

Fig.7 sp 3 - hybridization sa isang molekula ng ammonia

Kapag ang ammonia ay nakikipag-ugnayan sa isang hydrogen ion, bilang isang resulta ng pakikipag-ugnayan ng donor-acceptor, isang ammonium ion ay nabuo, ang pagsasaayos nito ay isang tetrahedron.

Ipinapaliwanag din ng hybridization ang pagkakaiba sa anggulo sa pagitan Mga koneksyon sa O-H sa sulok na molekula ng tubig. Bilang resulta ng hybridization ng 2s at tatlong 2p orbitals ng oxygen, apat na sp 3 hybrid orbitals ang nabuo, kung saan dalawa lamang ang kasangkot sa pagbuo ng isang kemikal na bono, na humahantong sa isang pagbaluktot ng anggulo na tumutugma sa tetrahedron .

Fig.8 sp 3 hybridization sa isang molekula ng tubig

Ang hybridization ay maaaring kasangkot hindi lamang sa mga s- at p-orbital, kundi pati na rin sa d- at f-orbitals.

Sa sp 3 d 2 hybridization, 6 na katumbas na ulap ang nabuo. Ito ay sinusunod sa mga compound tulad ng 4-, 4-. Sa kasong ito, ang molekula ay may pagsasaayos ng isang octahedron:

kanin. 9 d 2 sp 3 -hybridization sa ion 4-

Ginagawang posible ng mga ideya tungkol sa hybridization na maunawaan ang gayong mga tampok na istruktura ng mga molekula na hindi maipaliwanag sa anumang iba pang paraan.

Ang hybridization ng atomic orbitals (AO) ay humahantong sa isang displacement ng electron cloud sa direksyon ng pagbuo ng mga bono sa iba pang mga atom. Bilang resulta, ang mga overlap na lugar ng mga hybrid na orbital ay lumalabas na mas malaki kaysa sa mga purong orbital at ang lakas ng bono ay tumataas.

sp3 hybridization

sp 3 -Hybridization - hybridization, kung saan atomic orbitals ng isa s- at tatlo p-mga electron (Larawan 1).

kanin. 1. Edukasyon sp 3-hybrid orbital

Apat sp Ang 3-hybrid orbitals ay simetriko na nakatuon sa espasyo sa isang anggulo na 109°28" (Larawan 2).

Modelo ng atom c sp 3-hybrid orbital

Spatial na pagsasaayos ng isang molekula na ang gitnang atom ay nabuo sp 3-hybrid orbitals - tetrahedron

Tetrahedral spatial configuration ng isang molekula na ang gitnang atom ay nabuo sp 3-hybrid orbital

hybridization atom orbital carbon

Mga halimbawa ng mga compound na nailalarawan sa pamamagitan ng sp 3-hybridization: NH 3, POCl 3, SO 2 F 2, SOBr 2, NH 4+, H 3 O +. Gayundin, sp Ang 3-hybridization ay sinusunod sa lahat ng saturated hydrocarbons (alkanes, cycloalkanes) at iba pang organic compounds: CH 4, C 5 H 12, C 6 H 14, C 8 H 18, atbp. Ang pangkalahatang formula ng alkanes ay: C n H 2n +2. Ang pangkalahatang formula ng cycloalkanes ay C n H 2n. Sa saturated hydrocarbons, ang lahat ng mga kemikal na bono ay iisa, kaya sa pagitan ng mga hybrid na orbital ng mga compound na ito lamang sa-nagpapatong.

Bumuo ng chemical bond, i.e. Tanging ang mga hindi magkapares na electron lamang ang maaaring lumikha ng isang karaniwang pares ng elektron na may "dayuhang" electron mula sa isa pang atom. Kapag nagsusulat ng mga elektronikong formula, ang mga hindi magkapares na electron ay matatagpuan nang paisa-isa sa isang orbital cell.

Atomic orbital ay isang function na naglalarawan sa density ng electron cloud sa bawat punto sa espasyo sa paligid ng nucleus ng isang atom. Ang electron cloud ay isang rehiyon ng espasyo kung saan ang isang electron ay maaaring matukoy na may mataas na posibilidad.

Para sa pag-apruba elektronikong istraktura ang carbon atom at ang valence ng elementong ito ay gumagamit ng konsepto ng excitation ng carbon atom. Sa normal (hindi nasasabik) na estado, ang carbon atom ay may dalawang hindi pares 2 r 2 elektron. Sa isang nasasabik na estado (kapag ang enerhiya ay hinihigop) isa sa 2 s 2 electron ay maaaring pumunta sa libre r-orbital. Pagkatapos ay lumilitaw ang apat na hindi magkapares na electron sa carbon atom:

Alalahanin natin na sa electronic formula ng isang atom (halimbawa, para sa carbon 6 C - 1 s 2 2s 2 2p 2) malalaking numero sa harap ng mga titik - 1, 2 - ipahiwatig ang bilang ng antas ng enerhiya. Mga liham s At r ipahiwatig ang hugis ng electron cloud (orbital), at ang mga numero sa kanan sa itaas ng mga titik ay nagpapahiwatig ng bilang ng mga electron sa isang ibinigay na orbital. Lahat s- spherical orbitals

Sa pangalawang antas ng enerhiya maliban sa 2 s-may tatlong orbital 2 r-mga orbital. Ang 2 na ito r-Ang mga orbital ay may ellipsoidal na hugis, katulad ng mga dumbbells, at naka-orient sa espasyo sa isang anggulo na 90° sa bawat isa. 2 r-Ang mga orbital ay tumutukoy sa 2 r X , 2r y at 2 r z alinsunod sa mga axes kung saan matatagpuan ang mga orbital na ito.

Hugis at oryentasyon ng p-electron orbitals

Kapag nabuo ang mga bono ng kemikal, ang mga orbital ng elektron ay nakakakuha ng parehong hugis. Kaya, sa saturated hydrocarbons isa s-orbital at tatlo r-orbital ng carbon atom upang bumuo ng apat na magkapareho (hybrid) sp 3-orbital:

ito - sp 3 -hybridization.

Hybridization- pagkakahanay (paghahalo) ng atomic orbitals ( s At r) na may pagbuo ng mga bagong atomic orbital na tinatawag na mga hybrid na orbital.

Apat na sp 3 -hybrid orbitals ng carbon atom

Ang mga hybrid na orbital ay may asymmetric na hugis, na pinahaba patungo sa nakakabit na atom. Ang mga ulap ng elektron ay nagtataboy sa isa't isa at matatagpuan sa kalawakan hangga't maaari mula sa isa't isa. Sa kasong ito, ang mga palakol ng apat sp 3-mga hybrid na orbital lumabas na nakadirekta patungo sa vertices ng tetrahedron (regular triangular pyramid).

Alinsunod dito, ang mga anggulo sa pagitan ng mga orbital na ito ay tetrahedral, katumbas ng 109°28".

Ang mga vertex ng mga orbital ng elektron ay maaaring mag-overlap sa mga orbital ng iba pang mga atom. Kung ang mga ulap ng elektron ay magkakapatong sa isang linya na nagkokonekta sa mga sentro ng mga atomo, kung gayon ang naturang covalent bond ay tinatawag na sigma() - komunikasyon. Halimbawa, sa molekula ng ethane C 2 H 6, ang isang kemikal na bono ay nabuo sa pagitan ng dalawang carbon atom sa pamamagitan ng pag-overlay ng dalawang hybrid na orbital. Ito ay isang koneksyon. Bilang karagdagan, ang bawat isa sa mga carbon atom na may tatlo nito sp Ang 3-orbital ay nagsasapawan sa s-orbital ng tatlong hydrogen atoms, na bumubuo ng tatlong -bond.

Diagram ng electron cloud overlap sa isang ethane molecule

Sa kabuuan, tatlong valence state na may iba't ibang uri ng hybridization ang posible para sa isang carbon atom. Maliban sa sp Mayroong 3-hybridization sp 2 - at sp-hybridization.

sp 2 -Hybridization- paghahalo ng isa s- at dalawa r-mga orbital. Bilang isang resulta, tatlong hybrids ang nabuo sp 2 -orbital. Ang mga ito sp Ang 2-orbital ay matatagpuan sa parehong eroplano (na may mga axes X, sa) at nakadirekta sa mga vertice ng tatsulok na may anggulo sa pagitan ng mga orbital na 120°. Unhybridized r-ang orbital ay patayo sa eroplano ng tatlong hybrid sp 2-orbitals (naka-orient sa kahabaan ng axis z). Itaas na kalahati r-ang mga orbital ay nasa itaas ng eroplano, ang ibabang kalahati ay nasa ibaba ng eroplano.

Uri sp Ang 2-carbon hybridization ay nangyayari sa mga compound na may double bond: C=C, C=O, C=N. Bukod dito, isa lamang sa mga bono sa pagitan ng dalawang atomo (halimbawa, C=C) ang maaaring maging isang - bono. (Ang iba pang mga bonding orbital ng atom ay nakadirekta sa magkasalungat na direksyon.) Ang pangalawang bono ay nabuo bilang resulta ng magkakapatong na non-hybrid r-orbital sa magkabilang panig ng linya na nag-uugnay sa atomic nuclei.

Mga orbital (tatlong sp 2 at isang p) carbon atom sa sp 2 -hybridization

Covalent bond na nabuo sa pamamagitan ng lateral overlap r-tinatawag na orbital ng mga kalapit na carbon atoms pi()-koneksyon.

Edukasyon - mga koneksyon

Dahil sa mas kaunting orbital overlap, ang -bond ay hindi gaanong malakas kaysa sa -bond.

sp-Hybridization- ito ay paghahalo (alignment sa hugis at enerhiya) ng isa s- at isa r-orbitals upang bumuo ng dalawang hybrid sp-mga orbital. sp-Ang mga orbital ay matatagpuan sa parehong linya (sa isang anggulo ng 180°) at nakadirekta sa magkasalungat na direksyon mula sa nucleus ng carbon atom. Dalawa r-nananatiling unhybridized ang mga orbital. Ang mga ito ay inilalagay na magkaparehong patayo sa mga direksyon ng mga koneksyon. Sa larawan sp-Ang mga orbital ay ipinapakita sa kahabaan ng axis y, at ang unhybridized na dalawa r-orbital- kasama ang mga palakol X At z.

Atomic orbitals (dalawang sp at dalawang p) ng carbon sa estado ng sp hybridization

Ang carbon-carbon triple bond CC ay binubuo ng isang -bond na nabuo sa pamamagitan ng overlapping sp-hybrid orbitals, at dalawang -bond.

Elektronikong istraktura ng carbon atom

Ang carbon, na bahagi ng mga organikong compound, ay nagpapakita ng pare-parehong valence. Ang huling antas ng enerhiya ng carbon atom ay naglalaman ng 4 na electron, dalawa sa mga ito ay sumasakop sa 2s orbital, na may spherical na hugis, at dalawang electron ang sumasakop sa 2p orbital, na may dumbbell na hugis. Kapag nasasabik, ang isang electron mula sa 2s orbital ay maaaring lumipat sa isa sa mga bakanteng 2p orbital. Ang paglipat na ito ay nangangailangan ng ilang paggasta ng enerhiya (403 kJ/mol). Bilang resulta, ang nasasabik na carbon atom ay may 4 na hindi magkapares na mga electron at ang elektronikong pagsasaayos nito ay ipinahayag ng formula 2s1 2p3.

Ang isang carbon atom sa isang nasasabik na estado ay may kakayahang bumuo ng 4 na covalent bond dahil sa 4 sa sarili nitong hindi magkapares na mga electron at 4 na electron ng iba pang mga atomo. Kaya, sa kaso ng methane hydrocarbon (CH4), ang carbon atom ay bumubuo ng 4 na bono sa mga s-electron ng hydrogen atoms. Sa kasong ito, 1 koneksyon ang dapat mabuo uri ng s-s(sa pagitan ng s-electron ng isang carbon atom at ng s-electron ng isang hydrogen atom) at 3 p-s bonds (sa pagitan ng 3 p-electron ng isang carbon atom at 3 s-electron ng 3 hydrogen atoms). Ito ay humahantong sa konklusyon na ang apat na covalent bond na nabuo ng isang carbon atom ay hindi pantay. Gayunpaman, ang praktikal na karanasan sa kimika ay nagpapahiwatig na ang lahat ng 4 na bono sa isang molekula ng methane ay ganap na katumbas, at ang molekula ng methane ay may istrukturang tetrahedral na may mga anggulo ng bono na 109°, na hindi maaaring mangyari kung ang mga bono ay hindi pantay. Pagkatapos ng lahat, tanging ang mga orbital ng mga p-electron ay nakatuon sa espasyo kasama ang magkabilang patayo na mga axes x, y, z, at ang orbital ng s-electron ay may spherical na hugis, kaya ang direksyon ng pagbuo ng isang bono sa elektron na ito ay magiging. maging arbitraryo. Ang teorya ng hybridization ay nagawang ipaliwanag ang kontradiksyon na ito. Iminungkahi ni L. Polling na sa anumang mga molekula ay walang mga bono na nakahiwalay sa isa't isa. Kapag nabuo ang mga bono, ang mga orbital ng lahat ng valence electron ay magkakapatong. Ang ilang mga uri ng hybridization ng mga orbital ng elektron ay kilala. Ipinapalagay na sa molekula ng mitein at iba pang mga alkanes 4 na electron ang pumapasok sa hybridization.

Hybridization ng mga orbital ng carbon atom

Ang orbital hybridization ay isang pagbabago sa hugis at enerhiya ng ilang mga electron kapag bumubuo ng isang covalent bond, na nagreresulta sa mas mahusay na orbital overlap at tumaas na lakas ng bono. Ang hybridization ng mga orbital ay palaging nangyayari kapag ang mga electron ay kabilang sa iba't ibang uri orbital. 1. sp 3 -hybridization (unang valence state ng carbon). Sa panahon ng sp3 hybridization, ang 3 p orbital at one s orbital ng isang excited na carbon atom ay nakikipag-ugnayan sa paraang ang mga resultang orbital ay ganap na magkapareho sa enerhiya at simetriko na matatagpuan sa espasyo. Ang pagbabagong ito ay maaaring isulat tulad nito:

s + px+ py + pz = 4sp3

Sa panahon ng hybridization, ang kabuuang bilang ng mga orbital ay hindi nagbabago, ngunit ang kanilang enerhiya at hugis lamang ang nagbabago. Ipinapakita na ang sp3 hybridization orbitals ay kahawig ng isang three-dimensional na figure na walo, ang isa sa mga blades ay mas malaki kaysa sa isa. Ang apat na hybrid na orbital ay pinalawak mula sa gitna hanggang sa mga vertices ng isang regular na tetrahedron sa mga anggulo na 109.50. Ang mga bono na nabuo ng mga hybrid na electron (halimbawa, isang s-sp 3 na bono) ay mas malakas kaysa sa mga bono na nabuo ng mga unhybridized na p electron (halimbawa, isang s-p bond). dahil ang hybrid sp3 orbital ay nagbibigay ng mas malaking lugar ng electron orbital overlap kaysa sa unhybridized p orbital. Ang mga molekula kung saan nangyayari ang sp3 hybridization ay may istrakturang tetrahedral. Ang mga ito, bilang karagdagan sa methane, ay kinabibilangan ng methane homologues, mga di-organikong molekula tulad ng ammonia. Ang mga figure ay nagpapakita ng isang hybridized orbital at isang tetrahedral methane molecule. Ang mga kemikal na bono na lumabas sa methane sa pagitan ng carbon at hydrogen atoms ay nabibilang sa uri ng 2 y-bond (sp3 -s-bond). Sa pangkalahatan, ang anumang sigma bond ay nailalarawan sa katotohanan na ang densidad ng elektron ng dalawang magkakaugnay na mga atomo ay magkakapatong sa linya na nagkokonekta sa mga sentro (nuclei) ng mga atomo. Ang y-Bonds ay tumutugma sa pinakamataas na posibleng antas ng overlap ng mga atomic orbital, kaya medyo malakas ang mga ito. 2. sp2 hybridization (pangalawang valence state ng carbon). Ito ay lumitaw bilang isang resulta ng overlap ng isang 2s at dalawang 2p orbital. Ang mga resultang sp2-hybrid orbital ay matatagpuan sa parehong eroplano sa isang anggulo ng 1200 sa bawat isa, at ang non-hybridized p-orbital ay patayo dito. Kabuuang bilang Ang mga orbital ay hindi nagbabago - mayroong apat sa kanila.

s + px + py + pz = 3sp2 + pz

Ang estado ng sp2 hybridization ay nangyayari sa mga molekula ng alkene, sa mga pangkat ng carbonyl at carboxyl, i.e. sa mga compound na naglalaman ng double bond. Kaya, sa molekula ng ethylene, ang mga hybridized na electron ng carbon atom ay bumubuo ng 3 y-bond (dalawang sp 2 -s type bond sa pagitan ng carbon atom at hydrogen atoms at isang sp 2 -sp 2 type bond sa pagitan ng carbon atoms). Ang natitirang unhybridized p-electron ng isang carbon atom ay bumubuo ng p-bond na may unhybridized p-electron ng pangalawang carbon atom. Tampok na katangian Ang p-bond ay ang pagsasanib ng mga orbital ng elektron ay nangyayari sa labas ng linyang nagkokonekta sa dalawang atomo. Ang overlap ng mga orbital ay nangyayari sa itaas at ibaba ng y-bond na nagkokonekta sa parehong carbon atoms. Kaya, ang double bond ay isang kumbinasyon ng y- at p-bond. Ang unang dalawang figure ay nagpapakita na sa ethylene molecule ang mga anggulo ng bono sa pagitan ng mga atom na bumubuo sa ethylene molecule ay 1200 (naaayon sa spatial na oryentasyon ng tatlong sp2 hybrid orbitals). Ang ikatlo at ikaapat na figure ay nagpapakita ng pagbuo ng isang p-bond. ethylene (pagbuo ng y-bonds) ethylene (pagbuo ng pi-bond) Dahil ang overlap area ng unhybridized p-orbitals sa p-bond ay mas mababa kaysa sa overlap area ng orbitals sa y-bond, ang p-bond ay hindi gaanong malakas kaysa sa y-bond at mas madaling masira sa mga reaksiyong kemikal. 3. sp-hybridization (ikatlong valence state ng carbon). Sa estado ng sp-hybridization, ang carbon atom ay may dalawang sp-hybrid na orbital na matatagpuan nang linear sa isang anggulo na 1800 sa isa't isa at dalawang di-hybridized na p-orbital na matatagpuan sa dalawang magkaparehong patayo na eroplano. sp- Ang hybridization ay katangian ng alkynes at nitriles, i.e. para sa mga compound na naglalaman ng triple bond.

s + px + py + pz = 2sp + py + pz

Kaya, sa isang molekula ng acetylene, ang mga anggulo ng bono sa pagitan ng mga atomo ay 1800. Ang hybridized electron ng carbon atom ay bumubuo ng 2 y-bond (isang sp-s bond sa pagitan ng carbon atom at hydrogen atom at isa pang sp-sp bond sa pagitan ng carbon atoms. Dalawang unhybridized p-electron ng isang carbon atom ang bumubuo ng dalawang p-bond na may unhybridized p-electrons ang pangalawang carbon atom Ang overlap ng p-electron orbitals ay nangyayari hindi lamang sa itaas at sa ibaba ng y-bond, kundi pati na rin sa harap at likod, at ang kabuuang ulap ng mga p-electron ay may cylindrical na hugis. ang triple bond ay isang kumbinasyon ng isang y-bond at dalawang p-bond Ang pagkakaroon ng hindi gaanong malakas na dalawang p-bond sa molekula ng acetylene ay nagsisiguro sa kakayahan ng sangkap na ito na pumasok sa mga reaksyon ng karagdagan na may cleavage ng triple bond.

Konklusyon: ang sp3 hybridization ay katangian ng mga carbon compound. Bilang resulta ng hybridization ng isang s-orbital at tatlong p-orbitals, apat na hybrid sp3 orbitals ang nabuo, na nakadirekta patungo sa vertices ng tetrahedron na may anggulo sa pagitan ng mga orbital na 109°.