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 $s{p}^3$ [czyt. es pe trzy] (tetragonalnej) dochodzi do wymieszania jednego orbitalu typu $s$ oraz trzech orbitali typu $p$ ($p_{\mathrm{x}}$, $p_{\mathrm{y}}$, $p_{\mathrm{z}}$), w wyniku czego powstają cztery zhybrydyzowane orbitale typu $s{p}^3$. Można to zapisać w postaci schematycznego równania:

HybrydyzacjahybrydyzacjaHybrydyzacja $s{p}^3$, 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 orbitaliorbitalorbitali atomowych, które „mieszają się”, tworząc nowe orbitale, tzw. orbitale zhybrydyzowaneorbitale zhybrydyzowaneorbitale zhybrydyzowane (hybrydy).

Orbitale zhybrydyzowane (hybrydy) $s{p}^3$ stanowią liniową kombinację funkcji matematycznych orbitali atomowych. Do utworzenia czterech hybryd $s{p}^3$ spełnione muszą być jednak pewne warunki, dlatego warto odpowiedzieć na kilka dodatkowych  pytań. Po pierwsze, czy hybrydyzacji $s{p}^3$ ulegają atomy wszystkich pierwiastków?

Polecenie 1

Odpowiedz na poniższe dwa pytania, a następnie sformułuj wniosek dotyczący konfiguracji elektronowej atomu w stanie podstawowym i w stanie wzbudzonym, ulegającego hybrydyzacji $s{p}^3$?

R1UU1ZpVnscVV

Który z atomów posiada w stanie podstawowym na podpowłoce p przynajmniej dwa elektrony? Możliwe odpowiedzi: 1. ₆C, 2. ₄Be, 3. ₇N

Zapisz konfigurację w stanie podstawowym i wzbudzonym atomu azotu i węgla w formie klatkowej.

R1WU4Ol0ONzlR

(Uzupełnij).

Jaki jest wniosek dotyczący konfiguracji elektronowej atomu w stanie podstawowym i w stanie wzbudzonym, ulegającego hybrydyzacji $s{p}^3$.

Pokaż odpowiedź

• Konfiguracja ta wygląda następująco:

RVYZbZ4E5jQPL

Ilustracja przedstawiająca stan podstawowy oraz wzbudzony atomu węgla. Atom węgla o liczbie atomowej 6, stan podstawowy: orbital 1s w klatce znajdują się dwie strzałki, pierwsza skierowana do góry, zaś druga do dołu, 2s w klatce znajdują się dwie strzałki, pierwsza skierowana do góry, zaś druga do dołu, dalej 2p trzy klatki, z czego w dwóch pierwszych znajduje się po jednej strzałce skierowanej do góry. Stan wzbudzony: orbital 1s w klatce znajdują się dwie strzałki, pierwsza skierowana do góry, zaś druga do dołu, 2s w klatce znajduje się jedna strzałka skierowana do góry, dalej trzy klatki 2px, 2py i 2pz w każdej znajduje się po jednej strzałce skierowanej do góry. Azot o liczbie atomowej 7, stan podstawowy: orbital 1s w klatce znajdują się dwie strzałki, pierwsza skierowana do góry, zaś druga do dołu, 2s w klatce znajdują się dwie strzałki, pierwsza skierowana do góry, druga do dołu, dalej trzy klatki 2px, 2py, 2pz w każdej znajduje się po jednej strzałce skierowanej do góry.

• Azot nie osiąga stanu wzbudzonego. Hybrydyzacji ulegają orbitale zapełnione, zgodnie z powyższym zapisem.

• Aby orbitale wymieszały się, w stanie wzbudzonym na podpowłoce typu $p$ muszą się znajdować minimum $3$ elektrony.

Prześledźmy zatem, co się dzieje z orbitalami zawierającymi niesparowane elektrony.

Jak wynika z powyższej ilustracji, hybrydyzacji ulegają: orbital 2s oraz orbitale $2p_{\mathrm{x}}$, $2p_{\mathrm{y}}$, $2p_{\mathrm{z}}$ – łącznie 4 orbitale. Utworzone orbitale zhybrydyzowane $s{p}^3$ 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).

Zazwyczaj orbitale zhybrydyzowane $s{p}^3$ skierowane są ku narożom czworościanu foremnego (tetraedru) i tworzą ze sobą kąt $109°28\text{'}$. Z uwagi na różne zapełnienie orbitali typu $p$ przez elektrony, może się zdarzyć, że powstające orbitale zhybrydyzowane $s{p}^3$ 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 (${\text{NH}}_3$), gdzie jeden z utworzonych orbitali zhybrydyzowanych $s{p}^3$ 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 ${\text{NH}}_3$, obecność wolnej pary elektronowej zmniejsza kąt między wiązaniami z teoretycznej wartości $109°28\text{'}$ do około $107°$. Z tego powodu cząsteczka ${\text{NH}}_3$ 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 (${\text{H}}_2\text{O}$), dla której kąt między osiami wiązań przyjmuje wartość około $105°$, a kształt cząsteczki określany jest jako zgięty kątowy.

Orbitale $s{p}^3$ 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 ${\text{ClO}}_3^{-}$ oraz ${\text{NH}}_3$.

Słownik

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.