Jak powstają orbitale o hybrydyzacji sp3?

Wrzuć do kotła jeden orbital s oraz trzy orbitale typu p, zamieszaj dużą łyżką i ogrzewaj na wolnym ogniu, aż całość będzie jednorodna, a później dopraw do smaku i przelej do 4 identycznych pucharków...

A tak serio, to już wiesz, że 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.

Przyjrzyjmy się bliżej hybrydyzacji typu spIndeks górny 3

Polecenie 1

Zapoznaj się z poniższą animacją pt. „Jak powstają orbitale o hybrydyzacji $s p^{3}$ ?” Czy wiesz, jaką geometrię orbitali zhybrydyzowanych wykazują cząsteczki typu $s p^{3}$ ?

R11eVG9OlS6un

Animacja pt. „Jak powstają orbitale o hybrydyzacji sp³?”
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 1

Jaka jest geometria orbitali zhybrydyzowanych typu $s p^{3}$ ?

R6qSzpJb63y1W

Orbitale hybrydyzowane typu $s p^{3}$ przyjmują geometrię trygonalną, tetraedryczną lub kątową.

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

s + p_{x} + p_{y} + p_{z} = 4

orbitale zhybrydyzowane typu

s p^{3}

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 2

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

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

R1WU4Ol0ONzlR

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

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. — Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

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.

R1BkRW3gepTRy1

Schemat hybrydyzacji typu sp3. Po lewej stronie znajdują się cztery trójwymiarowe układy współrzędnych. Zaznaczono osie x, <math aria‑label="igrek">y, <math aria‑label="zet">z. W pierwszym układzie znajduje się niebieska kula, której środek znajduje się w początku układu współrzędnych, to przedstawienie graficzne orbitalu s. Na kolejne trzy układy naniesiono bryły składające się z dwóch lobów, które razem przypominają kształtem ósemki. Każda położona wzdłuż osi odpowiednio x, y oraz z. Zwężenie ósemek znajduje się w początku układu współrzędnych i nie należy do funkcji. Strzałka w prawo, nad strzałką napis "hybrydyzacja", za strzałką trójwymiarowy układ współrzędnych z opisanymi osiami x, y, z. Po hybrydyzacji powstał orbital o hybrydyzacji typu sp3 składający się z czterech dużych lobów, z których pierwszy leży wzdłuż osi z, drugi pomiędzy osiami x i y w pierwszej ćwiartce przy znajduje się po stronie wartości ujemnych dla osi z, trzeci leży w trzeciej ćwiartce pomiędzy osiami x i y po stronie wartości ujemnych dla osi z, czwarty leży w czwartej ćwiartce pomiędzy osiami x i y po stronie wartości ujemnych dla osi z. Od każdego z lobów odchodzi przeciwległy mniejszy lob, po przeciwnej stronie układu współrzędnych. — Schemat hybrydyzacji typu ${sp}^{3}$
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Jak wynika z powyższej ilustracji, hybrydyzacji ulegają: orbital 2s oraz orbitale $2 p_{x}$ , $2 p_{y}$ , $2 p_{z}$ – 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).

Nie tylko tetraedr

Zazwyczaj orbitale zhybrydyzowane $s p^{3}$ skierowane są ku narożom czworościanu foremnego (tetraedru) i tworzą ze sobą kąt $109 ° 28'$ . 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 ( ${NH}_{3}$ ), 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 ${NH}_{3}$ , obecność wolnej pary elektronowej zmniejsza kąt między wiązaniami z teoretycznej wartości $109 ° 28'$ do około $107 °$ . Z tego powodu cząsteczka ${NH}_{3}$ 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 ( $H_{2} O$ ), dla której kąt między osiami wiązań przyjmuje wartość około $105 °$ , a kształt cząsteczki określany jest jako zgięty kątowy.

Kształt cząsteczek i jonów

R1C3MmqUf349E1

Źródło: dostępny w internecie: www.pl.wikipedia.org, domena publiczna.

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 ${ClO}_{3}^{-}$ oraz ${NH}_{3}$ .

RlOf1OMhTwt5j1

Ilustracja interaktywna przedstawiająca przykłady związków oraz jonów o określonym kształcie i strukturze przestrzennej. Cząsteczki o budowie tetraedrycznej to N H indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, C H indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, C C l indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, C l O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, minus, koniec indeksu górnego. Cząsteczki o budowie piramidy trygonalnej P C l indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, N H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, C l O indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, O indeks górny, plus, koniec indeksu górnego. Cząteczki o budowie kątowej to H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O oraz H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, S. 1. Ilustracja przedstawiająca kation amonowy w modelu kulkowo‑pręcikowym zbudowany z atomu azotu połączonego z czterema atomami wodoru. Atom azotu symbolizuje niebieska duża kulka, a atomy wodoru małe, białe kulki. Kąty pomiędzy atomami H N H wynoszą po około 109 stopni, struktura jest tetraedryczna. 2. Ilustracja przedstawiająca cząsteczkę metanu w modelu kulkowo‑pręcikowym zbudowanego z atomu węgla połączonego z czterema atomami wodoru. Atom węgla reprezentuje duża, szara kulka, a atomy wodoru małe, białe kulki. Kąty pomiędzy atomami H C H wynoszą po 109,5 stopni, struktura jest tetraedryczna. 3. Ilustracja przedstawiająca cząsteczkę tetrachlorometanu w modelu kulkowo‑pręcikowym zbudowanego z atomu węgla połączonego z czterema atomami chloru. Atom węgla reprezentuje mała, szara kulka, a atomy chlory duże, zielone kulki. Kąty pomiędzy atomami Cl C Cl wynoszą po około 109 stopni, struktura jest tetraedryczna. 4. Ilustracja przedstawiająca strukturę anionu nadchloranowego w modelu kulkowo‑pręcikowym zbudowanego z atomu chloru połączonego z czterema atomami tlenu. Atom chloru reprezentuje zielona kulka, a atomy tlenu nieco mniejsze czerwone kulki. Kąty pomiędzy atomami O Cl O wynoszą po około 109 stopni, struktura jest tetraedryczna. 5. Ilustracja przedstawiająca cząsteczkę trichlorku fosforu w modelu kulkowo‑pręcikowym zbudowaną z atomu fosforu oraz trzech atomów chloru. Atom fosforu symbolizuje różowa kulka, zaś atomy chloru zielone kulki. Cząsteczka ma kształt piramidy trygonalnej. 6. Ilustracja przedstawiająca strukturę anionu chloranowego w modelu kulkowo‑pręcikowym zbudowanego z atomu chloru oraz trzech atomów tlenu. Atom chloru stanowi zielona kulka połączona z trzema nieco mniejszymi, czerwonymi kulkami. Anion ma postać piramidy trygonalnej. 7. Ilustracja przedstawiająca cząsteczkę amoniaku w modelu kulkowo‑pręcikowym zbudowaną z atomu azotu połączonego z trzema atomami wodoru. Atom azotu stanowi duża, niebieska kulka, zaś atomy wodoru małe, białe kulki. Cząsteczka ma postać piramidy trygonalnej. 8. Ilustracja przedstawiająca strukturę siarkowodoru w modelu kulkowo‑pręcikowym zbudowaną z atomu siarki oraz dwóch atomów wodoru. Atom siarki reprezentuje duża, żółta kulka, zaś atomy wodoru małe, białe kulki. Cząsteczka ma budowę kątową 9. Ilustracja przedstawiająca cząsteczkę wody w modelu kulkowo‑pręcikowym zbudowaną z atomu tlenu oraz dwóch atomów wodoru. Atom tlenu stanowi duża, czerwona kulka, zaś atomy wodoru małe, białe kulki. Cząsteczka ma budowę kątową z kątem pomiędzy atomami H O H wynoszącym 104,5 stopnia. 10. Ilustracja przedstawiająca strukturę jonu hydroniowego w modelu kulkowo‑pręcikowym zbudowanego z atomu tlenu połączonego z trzema atomami wodoru. Atom tlenu stanowi duża, czerwona kulka, zaś atomy wodoru małe, białe kulki. Jon ma budowę piramidy trygonalnej z kątami pomiędzy atomami H O H wynoszącymi po 113 stopni.

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

RsORqUkiOgpcN

Ćwiczenie 2

Ćwiczenie 3

Dlaczego w atomie węgla elektron z orbitalu $2 s$ zostaje przeniesiony na orbital $2 p$ ?

RkdZf2vSHO5lk

Podczas tworzenia wiązań chemicznych dochodzi do zmiany w konfiguracji elektronowej atomu węgla, polegającej na ujednorodnieniu orbitali atomowych. W trakcie zbliżania się atomów wodoru do atomu węgla dochodzi do wzbudzenia tego atomu. Polega ono na przeniesieniu elektronu $2 s$ na wolne miejsce na orbitalu $2 p$ . Powstała struktura umożliwia wytworzenie czterech wiązań za pomocą czterech niesparowanych elektronów.

bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Co to jest hybrydyzacja?

Jak powstają orbitale o hybrydyzacji sp²?

Jak powstają orbitale o hybrydyzacji sp³?

Nie tylko tetraedr

Kształt cząsteczek i jonów

Notatnik

Co to jest hybrydyzacja?

Jak powstają orbitale o hybrydyzacji sp2?

Nie tylko tetraedr

Kształt cząsteczek i jonów

Notatnik

Jak powstają orbitale o hybrydyzacji sp²?

Jak powstają orbitale o hybrydyzacji sp³?