Prosta matematyka?

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.

21

Ćwiczenie 1

Wykaż, czy atom boru w stanie podstawowym zawiera niesparowane elektrony? Jaki jest rozkład elektronów w stanie wzbudzonym?

Rp3K7beHEgqpi

Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu. .

RxhOf28tsVZ16

(Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Napisz konfigurację elektronową atomu boru w stanie podstawowym w postaci klatkowej. Zastanów się, kiedy elektron jest niesparowany.

Pokaż odpowiedź

W stanie podstawowym atom boru zawiera jeden niesparowany elektron.

R1XNfltT6kz1w

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.

1

Polecenie 2

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.

Trójkąt równoboczny

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 trójkąt równoboczny

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.