Za pomocą hybrydyzacjihybrydyzacjahybrydyzacji trygonalnej (ang. trigonal hybrydization), oznaczonej symbolem spIndeks górny 2², można wyjaśnić powstawanie wiązań kowalencyjnych w wielu typach cząsteczek nieorganicznych oraz organicznych. Jakie orbitaleorbitalorbitale atomowe oraz w jakiej ilości „mieszają się”, tworząc nowe orbitale, tzw. orbitale zhybrydyzowaneorbitale zhybrydyzowaneorbitale zhybrydyzowane (hybrydy) typu spIndeks górny 2²? W  omawianym procesie dochodzi do wymieszania jednego orbitalu typu s oraz dwóch orbitali typu p ( pIndeks dolny x_x oraz pIndeks dolny y_y), w wyniku czego powstają trzy zhybrydyzowane orbitale typu spIndeks górny 2². Można to zapisać w postaci równania:

W rzeczywistości utworzone orbitale zhybrydyzowane (hybrydy) spIndeks górny 2² stanowią liniową kombinację funkcji matematycznych orbitali atomowych. Do utworzenia trzech hybryd spIndeks górny 2² spełnione muszą być jednak pewne warunki, dlatego warto odpowiedzieć na kilka dodatkowych  pytań.

Czy potrafisz określić konfigurację elektronową atomu w stanie podstawowym i wzbudzonym?

1

Polecenie 1

Jaka powinna być konfiguracja elektronowa atomu w stanie podstawowym i  wzbudzonym, aby jego orbitale atomowe wymieszały się i utworzyły orbitale zhybrydyzowane (hybrydy) spIndeks górny 2²

R1aBqluLZsS71

Zaznacz atomy pierwiastków, które w stanie wzbudzonym posiadają minimum dwa orbitale typu $p$ obsadzone przez niesparowany elektron. Możliwe odpowiedzi: 1. ₆C, 2. ₅B, 3. ₄Be

Zapisz konfigurację elektronową atomu węgla lub boru w stanie podstawowymstan podstawowystanie podstawowym i  w stanie wzbudzonymstan wzbudzonystanie wzbudzonym. Zwróć uwagę na liczbę elektronów, które znajdują się na poszczególnych orbitalach.

Rh50FszhCmwIh

(Uzupełnij).

RXEzZIBPlDgAW

(Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Zapisując konfigurację elektronową pamiętaj o regule Hunda i zakazie Pauliego. Do tego celu użyj postaci klatkowej.

Pokaż odpowiedź

R5EQ9QEnxEUGx

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.

RHG6aMGC9YXh8

Ilustracja przedstawiająca stan podstawowy oraz wzbudzony atomu boru. Atom boru o liczbie atomowej 5, 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 pierwszej znajduje się jedna strzałka skierowana 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, z czego w dwóch pierwszych znajduje się po jednej strzałce skierowanej do góry.

Jak wspomniano powyżej, hybrydyzacji trygonalnej ulegają łącznie trzy orbitale – jeden orbital s oraz dwa orbitale typu p (pIndeks dolny x_x oraz pIndeks dolny y_y). Orbital pIndeks dolny z_z pozostaje niezhybrydyzowany i przyjmuje kierunek prostopadły do płaszczyzny orbitali zhybrydyzowanych. Utworzone orbitale zhybrydyzowane (hybrydy) spIndeks górny 2² 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). Wiązania utworzone za pomocą orbitali spIndeks górny 2² leżą w tej samej płaszczyźnie, a kąty między nimi wynoszą 120°. Figurą geometryczną, określającą położenie hybryd spIndeks górny 2² na płaszczyźnie, jest trójkąt równoboczny.

RneRydYCrpdK2

Ilustracja przedstawia dwa trójwymiarowe układy współrzędnych z opisanymi osiami x, y, z. W początkach obu układów współrzędnych zlokalizowano jądro atomu. W pierwszym znajduje się kulista przestrzeń ze środkiem w początku układu współrzędnych, to orbital s. Od początku układu współrzędnych odchodzą również dwa loby leżące na osi x to orbital px w kształcie ósemki oraz dwa loby leżące na osi y to orbital py. Strzałka w prawo. Za strzałką drugi układ współrzędnych po hybrydyzacji, w wyniku której powstały trzy orbitale typu ${\text{sp}}^2$. Pierwszy stanowią dwa loby zlokalizowane wzdłuż osi x, większy znajdujący się po stronie wartości dodatnich i mniejszy po stronie wartości ujemnych osi x. Drugi orbital, który stanowi duży lob znajdujący się pomiędzy osiami x i y po stronie wartości dodatnich dla osi y i ujemnych dla osi x oraz mały lob znajdujący się po przeciwległej stronie układu. Trzeci orbital stanowi duży lob położony pomiędzy osią x i y po stronie wartości ujemnych zarówno dla osi x, jak i dla osi y. Wszystkie orbitale znajdują się w jednej płaszczyźnie, zaś kąty pomiędzy nimi wynoszą po 120 stopni.

Nie tylko węgiel

Przykłady związków, w których atom centralny przyjmuje hybrydyzację spIndeks górny 2², można odnaleźć zarówno w chemii nieorganicznej, jak i organicznej. Orbitale spIndeks górny 2  Indeks górny koniec² wyjaśniają właściwości i strukturę wiązania podwójnego między atomami węgla w związkach organicznych (np. w etenie). Do klasycznych przykładów w chemii nieorganicznej należą między innymi jony ${{\text{CO}}_3}^{2-}$ oraz ${{\text{NO}}_3}^{2-}$, a także cząsteczki, np.: ${\text{SO}}_2$, ${\text{BF}}_3$, ${\text{SO}}_3$.

RP58eGpaBqWrm

Ilustracja przedstawiająca hybrydyzację typu ${\text{sp}}^2$ atomu centralnego dla dwóch typów cząsteczek. Pierwszy o strukturze trójkątnej, w której atom centralny położony jest w środku trójkąta równobocznego, zaś w jego wierzchołkach znajdują się podstawniki. Jeśli atom centralny A związany jest z trzema podstawnikami X, pomiędzy atomami X A X występują kąty 120 stopi, zaś cała struktura jest płaska. Przykładem tego typu cząsteczki jest trifluorek boru. Drugi typ cząsteczek o budowie kątowej jest analogiczny do poprzedniego, jednak jeden z podstawników stanowi wolna para elektronowa pochodząca od atomu centralnego A, pomiędzy atomami A X A znajduje się kąt około 120 stopni. Kształt kątowy ma przykładowo cząsteczka tlenku siarki(IV).

RgG8escTRLl89

Ilustracja przedstawiająca model kulkowo‑pręcikowy cząsteczki tlenku siarki(IV). Duża żółta kulka symbolizująca atom siarki połączona jest z dwiema czerwonymi kulkami symbolizującymi atomy tlenu. Pomiędzy atomami O S O występuje kąt rozwarty.

R1cef7kvnzVTH

Ilustracja przedstawiająca model kulkowo‑pręcikowy trifluorku boru. Centralnie położona fioletowa kulka symbolizująca atom boru łączy się z trzema żółtymi kulkami symbolizującymi atomy fluoru. Pomiędzy atomami F B F kąty wynoszą odpowiednio po 120 stopni. Struktura jest płaska.

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.