Hybrydyzacja typu $s{p}^{3}d$ w cząsteczce ${\text{SF}}_4$.

Hybrydyzacja typu $s{p}^{3}d$ pozwala wyjaśnić powstawanie wiązań w cząsteczce ${\text{SF}}_4$.

Jeden z elementów, który warto omówić w tym typie hybrydyzacji to rodzaj oraz liczba orbitali atomowych, które „mieszają się” tworząc nowe orbitale, tzw. orbitale zhybrydyzowaneorbitale zhybrydyzowaneorbitale zhybrydyzowane (hybrydy). W hybrydyzacji typu $s{p}^{3}d$ dochodzi do wymieszania jednego orbitalu typu s, trzech orbitali typu p ($p_{\mathrm{x}}$, $p_{\mathrm{y}}$, $p_{\mathrm{z}}$) oraz jednego orbitalu typu d, w wyniku czego powstaje pięć zhybrydyzowanych orbitali typu $s{p}^{3}d$. Można to zapisać w postaci równania: $s+p_x+p_y+p_z+d=5 orbitali zhybrydyzowanych typu s{p}^{3}d$

Krok 1. Stan podstawowystan podstawowyStan podstawowy

W stanie podstawowym atom siarki (${}_{16}\mathrm{S}$) posiada konfigurację elektronową:

R1EIuW102iQQ9

Ilustracja przedstawia schematyczny zapis konfiguracji elektronowej atomu siarki. Na obrazku po lewej stronie znajduje się pionowa strzałka, grot skierowany w górę, podpis: energia podpowłok. Na samym dole znajduje się kwadrat, w którym znajdują się dwie równolegle leżące strzałki skierowane przeciwnie. Obok podpis: 1s. Powyżej kwadrat, w którym znajdują się dwie równolegle leżące strzałki skierowane przeciwnie. Obok podpis: 2s. Powyżej trzy kwadraty leżące blisko siebie. W każdym z nich znajdują się dwie równolegle leżące strzałki skierowane przeciwnie. Łącznie strzałek jest sześć. Obok podpis: 2p. Powyżej kwadrat, w którym znajdują się dwie równolegle leżące strzałki skierowane przeciwnie. Obok podpis: 3s. Powyżej trzy kwadraty leżące blisko siebie podpisane jako p indeks dolny x, p indeks dolny y i p indeks dolny z. W pierwszym kwadracie znajdują się dwie równolegle leżące strzałki skierowane przeciwnie. W drugim kwadracie znajduje się jedna strzałka, grot skierowany w górę. W trzecim kwadracie znajduje się jedna strzałka, grot skierowany w górę. Obok podpis: 3p. Powyżej pięć pustych kwadratów leżących blisko siebie. Obok podpis: 3d.

Jeżeli spojrzymy na diagram energetyczny orbitali atomowych, to zauważymy, że na powłoce trzeciej znajdują się trzy podpowłoki - 3s, 3p oraz 3d. Co ważne, podpowłoka typu $3d$ jest nieobsadzona przez elektrony.

Krok 2. Stan wzbudzonystan wzbudzonyStan wzbudzony

Aby w cząsteczce czterofluorku siarki (${\text{SF}}_4$), atom siarki utworzył wiązania kowalencyjne z atomami fluoru, musi posiadać cztery niesparowane elektrony. W związku z tym musi nastąpić wzbudzenie elektronu z niższego poziomu energetycznego na wyższy. W wyniku wzbudzenia atomu siarki, na podpowłoce 3p pozostały trzy elektrony walencyjne, a czwarty jest na podpowłoce $3d$.

W I (pierwszym) stanie wzbudzonym atom siarki (${}_{16}\mathrm{S}$) posiada konfigurację elektronową:

R17f6eSu2lRmx

Ilustracja przedstawia schematyczny zapis konfiguracji elektronowej wzbudzonego atomu siarki. Na obrazku po lewej stronie znajduje się pionowa strzałka, grot skierowany w górę, podpis: energia podpowłok. Na samym dole znajduje się kwadrat, w którym znajdują się dwie równolegle leżące strzałki skierowane przeciwnie. Obok podpis: 1s. Powyżej kwadrat w którym znajdują się dwie równolegle leżące strzałki skierowane przeciwnie. Obok podpis: 2s. Powyżej trzy kwadraty leżące blisko siebie. W każdym z nich znajdują się dwie równolegle leżące strzałki skierowane przeciwnie. Łącznie strzałek jest sześć. Obok podpis: 2p. Powyżej kwadrat, w którym znajdują się dwie równolegle leżące strzałki skierowane przeciwnie. Obok podpis: 3s. Powyżej trzy kwadraty leżące blisko siebie podpisane jako p indeks dolny x, p indeks dolny y i p indeks dolny z. W pierwszym kwadracie znajduje się jedna strzałka, grot skierowany w górę. W drugim kwadracie znajduje się jedna strzałka, grot skierowany w górę. W trzecim kwadracie znajduje się jedna strzałka, grot skierowany w górę. Obok podpis: 3p. Powyżej pięć kwadratów leżących blisko siebie. W pierwszym znajduje się strzałka, grot skierowany w górę. Obok podpis: 3d.

Krok 3. HybrydyzacjahybrydyzacjaHybrydyzacja

W kolejnym kroku hybrydyzacji ulegają 1 orbital s, 3 orbitale p oraz 1 orbital d.

Re9Ya67o8uonD

Na ilustracji przedstawiono schematycznie tworzenie się orbitali zhybrydyzowanych. W jednym wierszu zapis konfiguracji elektronowej. Orbital podpisany jako 3s, czyli kwadrat, w którym znajdują się dwie równoległe strzałki o grotach skierowanych przeciwnie. Po prawej stronie trzy orbitale 3p, czyli trzy kwadraty obok siebie, w każdym strzałka skierowana w górę, podpis: p indeks dolny x, p indeks dolny y, p indeks dolny z. Po prawej stronie pięć orbitali 3d, czyli pięć kwadratów. W pierwszym kwadracie jedna strzałka skierowana w górę. Poniżej strzałka w dół, obok napis: hybrydyzacja. Poniżej znajduje się pięć okręgów, w pierwszym dwie równoległe strzałki skierowane przeciwnie, w pozostałych po jednej strzałce skierowanej w górę. Obok podpis: orbitale zhybrydyzowane.

Efektem hybrydyzacji jest utworzenie pięciu równocennych orbitali zhybrydyzowanych typu $s{p}^{3}d$.

Cztery niesparowane elektrony walencyjne atomu siarki (cztery hybrydy $s{p}^{3}d$) tworzą cztery pary wiążące z niesparowanym elektronem walencyjnym każdego z czterech atomów fluoru, natomiast piąty orbital zhybrydyzowany zawiera wolną parę elektronową.

RK456kvSIhSZ4

Na ilustracji przedstawiono geometrię cząsteczki tetrafluorku siarki. Wiązanie między fluorem a siarką tworzy się przez częściowe nakładanie się orbitali siarki oraz fluoru. Orbitale mają kształt listków koniczyny. Wokół symbolu siarki, czyli S, znajduje się pięć listków. Na końcu każdego listka znajdują się dwie kulki oznaczające elektrony. Wokół symbolu fluoru, czyli F, znajdują się dwa listki leżące po przeciwnych stronach. Cztery listki siarki nakładają się z czterema listkami czterech fluorów. Na rysunku strzałka w kierunku kulek znajdujących się na wolnym listku siarki, podpis: wolna para elektronowa na orbitalu zhybrydyzowanym. Miejsce, w którym nakładają się orbitale, czyli listki siarki i fluoru, jest podpisane: wiązanie siarka‑fluor.

Hybrydyzacja typu $s{p}^3{d}^2$ w cząsteczce ${\text{SF}}_6$

W przeciwieństwie do cząsteczki tetrafluorku siarki ${\text{SF}}_4$, atom siarki w heksafluorku siarki musi mieć hybrydyzację $s{p}^3{d}^2$.

Aby utworzyć sześć wiązań z atomami fluoru, atom siarki musi posiadać 6 niesparowanych elektronów walencyjnych na sześciu równocennych orbitalach zhybrydyzowanych. W związku z tym w hybrydyzacji muszą uczestniczyć dwa orbitale typu d, a nie jeden.

W hybrydyzacji typu $s{p}^3{d}^2$ dochodzi do wymieszania jednego orbitalu typu s, trzech orbitali typu p ($p_{\mathrm{x}}$, $p_{\mathrm{y}}$, $p_{\mathrm{z}}$) oraz dwóch orbitalu typu d, w wyniku czego powstaje sześć zhybrydyzowanych orbitali typu $s{p}^3{d}^2$. Można to zapisać w postaci równania:

Krok 1. Stan podstawowy

W stanie podstawowym atom siarki (${}_{16}\mathrm{S}$) posiada konfigurację elektronową:

R1EIuW102iQQ9

Ilustracja przedstawia schematyczny zapis konfiguracji elektronowej atomu siarki. Na obrazku po lewej stronie znajduje się pionowa strzałka, grot skierowany w górę, podpis: energia podpowłok. Na samym dole znajduje się kwadrat, w którym znajdują się dwie równolegle leżące strzałki skierowane przeciwnie. Obok podpis: 1s. Powyżej kwadrat, w którym znajdują się dwie równolegle leżące strzałki skierowane przeciwnie. Obok podpis: 2s. Powyżej trzy kwadraty leżące blisko siebie. W każdym z nich znajdują się dwie równolegle leżące strzałki skierowane przeciwnie. Łącznie strzałek jest sześć. Obok podpis: 2p. Powyżej kwadrat, w którym znajdują się dwie równolegle leżące strzałki skierowane przeciwnie. Obok podpis: 3s. Powyżej trzy kwadraty leżące blisko siebie podpisane jako p indeks dolny x, p indeks dolny y i p indeks dolny z. W pierwszym kwadracie znajdują się dwie równolegle leżące strzałki skierowane przeciwnie. W drugim kwadracie znajduje się jedna strzałka, grot skierowany w górę. W trzecim kwadracie znajduje się jedna strzałka, grot skierowany w górę. Obok podpis: 3p. Powyżej pięć pustych kwadratów leżących blisko siebie. Obok podpis: 3d.

Jeżeli spojrzymy na diagram energetyczny orbitali atomowych, to zauważymy, że na powłoce trzeciej znajdują się trzy podpowłoki - 3s, 3p oraz 3d. Co ważne, podpowłoka typu 3d jest nieobsadzona przez elektrony.

Krok 2. Stan wzbudzony

Aby w cząsteczce heksafluorku siarki (${\text{SF}}_6$), atom siarki utworzył wiązania kowalencyjne z atomami fluoru, musi posiadać sześć niesparowanych elektronów. W związku z tym musi nastąpić wzbudzenie elektronów z podpowłoki 3s na podpowłokę 3d. W wyniku wzbudzenia atomu siarki, na podpowłoce 3p pozostały trzy elektrony walencyjne, a napodpowłoce 3d.

W II (drugim) stanie wzbudzonym atom siarki (${}_{16}\mathrm{S}$) posiada konfigurację elektronową:

R1OLt82xE3YsG

Ilustracja przedstawia schematyczny zapis konfiguracji elektronowej wzbudzonego atomu siarki. Na obrazku po lewej stronie znajduje się pionowa strzałka, grot skierowany w górę, podpis: energia podpowłok. Na samym dole znajduje się kwadrat, w którym znajdują się dwie równolegle leżące strzałki skierowane przeciwnie. Obok podpis: 1s. Powyżej kwadrat, w którym znajdują się dwie równolegle leżące strzałki skierowane przeciwnie. Obok podpis: 2s. Powyżej trzy kwadraty leżące blisko siebie. W każdym z nich znajdują się dwie równolegle leżące strzałki skierowane przeciwnie. Łącznie strzałek jest sześć. Obok podpis: 2p. Powyżej kwadrat, w którym znajdują się dwie równolegle leżące strzałki skierowane przeciwnie. Obok podpis: 3s. Powyżej trzy kwadraty leżące blisko siebie. We wszystkich znajduje się po jednej strzałce skierowanej w górę. Obok podpis: 3p. Powyżej pięć kwadratów leżących blisko siebie. W pierwszym i drugim kwadracie znajduje się po jednej strzałce skierowanej w górę. Obok podpis: 3d.

Krok 3. Hybrydyzacja

W kolejnym kroku hybrydyzacji ulegają 1 orbital s, 3 orbitale p oraz 2 orbitale d.

RX0NgKPC5MbbI

Na ilustracji przedstawiono schematycznie tworzenie się orbitali zhybrydyzowanych. W jednym wierszu zapis konfiguracji elektronowej. Orbital podpisany jako 3s, czyli kwadrat, w którym znajduje się jedna strzałka skierowana w górę. Po prawej stronie trzy orbitale 3p, czyli trzy kwadraty obok siebie, w każdym strzałka skierowana w górę. Po prawej stronie pięć orbitali 3d, czyli pięć kwadratów. W pierwszym i drugim kwadracie znajduje się po jednej strzałce skierowanej w górę. Poniżej strzałka w dół, obok napis: hybrydyzacja. Poniżej znajduje się sześć okręgów, w każdym znajduje się po jednej strzałce, obok podpis: orbitale zhybrydyzowane.

Efektem hybrydyzacji jest utworzenie sześciu równocennych orbitali zhybrydyzowanych typu $s{p}^3{d}^2$.

Sześć niesparowanych elektronów walencyjnych atomu siarki (sześć hybryd $s{p}^3{d}^2$) tworzy sześć par wiążących z niesparowanym elektronem walencyjnym każdego z sześciu atomów fluoru, przez co cząsteczka przyjmuje kształt oktaedru.

RicH7S0et4mmn

Na ilustracji znajduje się geometria cząsteczki heksafluorku siarki. Symbol S jest otoczony sześcioma listkami przypominającymi listki koniczyny. Wokół znajduje się sześć atomów fluoru oznaczonych symbolami F. Wokół F znajdują się dwa listki po przeciwnych stronach. Sześć listków pochodzących od sześciu fluorów nakłada się z sześcioma listkami siarki. W miejscach, gdzie listki się nakładają, znajduje się para elektronów, schematycznie w postaci dwóch kul.

Do roku 2006 jednym z zastosowań związku o wzorze ${\text{SF}}_6$ było napełnianie poduszek butów sportowych pewnej marki obuwniczej. W plastikowej kieszeni powietrznej przymocowanej do pięty producenci obuwia umieszczali heksafluorek siarki, dzięki czemu obuwie stabilizowało stopę podczas biegania. Z uwagi na fakt, że gaz ten został ogłoszony przez ekologów gazem szkodliwym (cieplarnianym) wycofano go z użycia. Zamiast nim buty wypełniano powietrzem.