Przeczytaj
Pomieszaj!
Hybrydyzacja jest to zabieg matematyczny z udziałem odpowiednich orbitali walencyjnych atomu centralnego cząsteczki, umożliwiający interpretację jej kształtu. W wyniku hybrydyzacji energia poszczególnych orbitali ulega redystrybucji, orbitale mieszają się i powstają z nich nowe – orbitale zhybrydyzowane. Orbitale zhybrydyzowane posiadają jednakowy kształt i energię, która po zsumowaniu jest równa energii orbitali pierwotnych.
W hybrydyzacji typu [czyt. es pe trzy] (tetragonalnej) dochodzi do wymieszania jednego orbitalu typu oraz trzech orbitali typu (, , ), w wyniku czego powstają cztery zhybrydyzowane orbitale typu . Można to zapisać w postaci schematycznego równania:
HybrydyzacjaHybrydyzacja , zwana również hybrydyzacją tetragonalną, jest szczególnie istotna, kiedy określamy liczbę wiązań pojedynczych w związkach organicznych i nieorganicznych. Jeden z elementów, który warto omówić w tym typie hybrydyzacji, to rodzaj oraz liczba orbitaliorbitali atomowych, które „mieszają się”, tworząc nowe orbitale, tzw. orbitale zhybrydyzowaneorbitale zhybrydyzowane (hybrydy).
Orbitale zhybrydyzowane (hybrydy) stanowią liniową kombinację funkcji matematycznych orbitali atomowych. Do utworzenia czterech hybryd spełnione muszą być jednak pewne warunki, dlatego warto odpowiedzieć na kilka dodatkowych pytań. Po pierwsze, czy hybrydyzacji ulegają atomy wszystkich pierwiastków?
Odpowiedz na poniższe dwa pytania, a następnie sformułuj wniosek dotyczący konfiguracji elektronowej atomu w stanie podstawowym i w stanie wzbudzonym, ulegającego hybrydyzacji ?
Zapisz konfigurację w stanie podstawowym i wzbudzonym atomu azotu i węgla w formie klatkowej.
Jaki jest wniosek dotyczący konfiguracji elektronowej atomu w stanie podstawowym i w stanie wzbudzonym, ulegającego hybrydyzacji .
Prześledźmy zatem, co się dzieje z orbitalami zawierającymi niesparowane elektrony.
Jak wynika z powyższej ilustracji, hybrydyzacji ulegają: orbital 2s oraz orbitale , , – łącznie 4 orbitale. Utworzone orbitale zhybrydyzowane są jednakowe, jednak różnią się od orbitali pierwotnych kształtem, rozkładem przestrzennym oraz energią. Co ważne, elektrony obsadzające orbitale zhybrydyzowane mają identyczną energię (mówimy, że są zdegenerowane).
Nie tylko tetraedr
Zazwyczaj orbitale zhybrydyzowane skierowane są ku narożom czworościanu foremnego (tetraedru) i tworzą ze sobą kąt . Z uwagi na różne zapełnienie orbitali typu przez elektrony, może się zdarzyć, że powstające orbitale zhybrydyzowane będą zawierały wolną parę elektronową, przez co kształt cząsteczki ulegnie zmianie. Należy pamiętać, że odpychanie pomiędzy dwoma wolnymi parami jest silniejsze od odpychania pomiędzy wolną a wiążącą parą elektronową. To oddziaływanie zaś jest silniejsze od odpychania dwóch wiążących par elektronowych. Z taką sytuacją mamy do czynienia np. w przypadku cząsteczki amoniaku (), gdzie jeden z utworzonych orbitali zhybrydyzowanych atomu azotu ma dwa elektrony. Ze względu na brak kolejnego atomu, który mógłby zająć czwartą pozycję w tetraedrze, dochodzi do deformacji, a kąt między wiązaniami zmniejsza się w stosunku do kąta oczekiwanego. W przypadku cząsteczki , obecność wolnej pary elektronowej zmniejsza kąt między wiązaniami z teoretycznej wartości do około . Z tego powodu cząsteczka nie jest tetraedryczna, tylko przyjmuje kształt piramidy trygonalnej.
Gdy cząsteczka zawiera dwie wolne pary elektronowe, idealny kąt tetraedryczny ulega jeszcze większemu odkształceniu niż w przypadku obecności jednej wolnej pary elektronowej. Przykładem jest cząsteczka wody (), dla której kąt między osiami wiązań przyjmuje wartość około , a kształt cząsteczki określany jest jako zgięty kątowy.
Kształt cząsteczek i jonów
Orbitale wyjaśniają właściwości i strukturę wiązania pojedynczego między atomami węgla w związkach organicznych (np. w metanie). Do klasycznych przykładów w chemii nieorganicznej należą między innymi jony oraz .
Słownik
(łac. hibrida „mieszaniec”) zabieg matematyczny z udziałem odpowiednich orbitali walencyjnych atomu centralnego cząsteczki, umożliwiający interpretację kształtu cząsteczki; efektem hybrydyzacji jest utworzenie zestawu orbitali zhybrydyzowanych
funkcja falowa opisująca stan jednego elektronu, zależna od współrzędnych określających jego położenie w atomie (orbital atomowy), cząsteczce (orbital molekularny, orbital cząsteczkowy)
równocenne pod względem kształtu i energii orbitale atomowe, będące wynikiem mieszania się orbitali atomowych o różnych kształtach i energii
stan, w którym elektrony rozmieszczone są w taki sposób, aby atom posiadał najmniejszą energię
każdy stan elektronu o energii wyższej od energii stanu podstawowego; jest wynikiem przejścia elektronu (po pobraniu energii) z podpowłoki o niższej energii na podpowłokę o energii wyższej; jeśli atom znajduje się w stanie wzbudzonym, dopisywany jest przy nim symbol gwiazdki (*)
Bibliografia
Atkins P., Jones L., Chemia ogólna. Cząsteczki, materia, reakcje, Warszawa 2004.
Bielański A., Podstawy Chemii nieorganicznej, t. 1‑2, Warszawa 2010.
Czerwiński A., Czerwińska A., Jeziorna M., Kańska M., Chemia 3. Podręcznik dla liceum ogólnokształcącego, liceum profilowanego, technikum, Warszawa 2004.
Encyklopedia PWN
Hassa R., Mrzigod A., Mrzigod J., Sułkowski W., Chemia 1. Podręcznik i zbiór zadań w jednym, Warszawa 2003.
Litwin M., Styka‑Wlazło Sz., Szymońska J.,To jest chemia 1, Warszawa 2013.
Morrison R. T., Boyd R. N., Chemia organiczna, t. 1, Warszawa 1985.
Pazdro K., Zbiór zadań z chemii dla szkół ponadgimnazjalnych, Warszawa 2003.
Graham P., Organic Chemistry, 2nd Edition, Scotland 2003, https://books.google.pl/books?id=nlx6AgAAQBAJ&pg=PA14&lpg=PA14&dq=sp+hybridized+orbital&source=bl&ots=jtGH3Smewm&sig=ACfU3U25131jOv0CUOu_DS8GWNl3CSb8BA&hl=pl&sa=X&ved=2ahUKEwj30-3t5KPjAhUBxosKHcEiCvg4ChDoATANegQIBxAB#v=onepage&q=sp%20hybridized%20orbital&f=false, dostęp: 04.10.2022.