Química: el misteri i la meravella dels orbitals híbrids

El misteri i la meravella dels orbitals híbrids

Química

  • Enllaç i estructura en compostos covalents
  • Els compostos covalents es tornen misteriosos
  • El misteri i la meravella dels orbitals híbrids
  • Dibuix d’estructures de Lewis
  • Estructures de ressonància
  • Teoria de la repulsió de parells d’electrons de Valence Shell (VSEPR)

Per tal que els electrons s’estenguin més de 90 els uns dels altres, hem d’arribar a un nou model que ho permeti.



Fins ara hem après les formes i les energies relatives dels orbitals s-, p-, d- i f. No obstant això, quan els àtoms formen compostos covalents, els orbitals atòmics són insuficients perquè obliguen els àtoms enllaçats a estar massa a prop l'un de l'altre. Com podríeu esperar, els electrons en enllaços covalents, com és el cas dels electrons de tot arreu, prefereixen estar el més allunyats l'un de l'altre possible perquè es repel·leixen. Posteriorment, tots els orbitals d'un àtom que contenen electrons de valència es combinen entre si per formar 'orbitals híbrids'.

Probablement és més fàcil entendre com funcionen els orbitals híbrids mostrant-vos un exemple. Fem una ullada al diagrama d’ompliment orbital dels electrons de valència del carboni (vegeu The Modern Atom per obtenir més informació sobre els diagrames d’ompliment orbital).

Figura 10.3 El diagrama d’ompliment orbital dels electrons de valència sobre el carboni.

mapa de la nova guinea

Com podeu veure, dels quatre orbitals de valència en carboni, un està ple (2 s), dos són mig ple (2p) i un està completament buit. Aquesta pot ser la configuració d’electrons d’un àtom de carboni no lligat, però no explica com es pot unir el carboni quatre vegades per formar metà. Al cap i a la fi, cada enllaç covalent requereix la superposició d’un orbital que conté un electró de cada àtom. Si aquest model fos vàlid, no tindríem cap vincle amb l’orbital s perquè ja està ple, dos enllaços (un de dos orbitals p) i un orbital p completament buit. Com a resultat, el carboni només es podria unir dues vegades, una conclusió que no coincideix amb la realitat.

Significats moleculars

Orbitals híbrids es formen barrejant dos o més dels orbitals més externs en un àtom. L’únic element que no forma orbitals híbrids és l’hidrogen, ja que només té un sol orbital de 1 s.

El que realment passa quan el carboni s’uneix covalentment amb altres elements és que aquests quatre orbitals s i p diferents es barregen entre si per formar quatre orbitals hibridats idèntics. Els noms d’aquests nous orbitals hibridats són una combinació dels noms dels quatre orbitals atòmics originals. En el nostre exemple, un orbital s es combina amb tres orbitals p per formar quatre sp3orbitals:

Figura 10.4 Quan els orbitals es combinen per formar orbitals híbrids, es fan una mitjana de les seves formes i energies.

Com podeu veure en aquest diagrama, la configuració orbital hibridada del carboni permet espai per a quatre enllaços covalents, que coincideixen bé amb els quatre àtoms d’hidrogen units covalentment en metà.

Com hem esmentat a The Modern Atom, els orbitals s són esfèrics i els orbitals p estan en angles de 90 graus entre si. Com a resultat, els orbitals sp3 que es formen quan es combinen un orbitals s i tres orbitals p es disposaran en un angle que reflecteixi una barreja entre aquests dos tipus d’orbitals (en aquest cas, 109,5):

taula de quadrats perfectes

El nombre d’orbitals híbrids que es formen quan s’uneix una molècula covalent depèn del nombre d’enllaços simples i parells d’electrons no units (parells solitaris o parells d’electrons no compartits) que hi ha a la molècula. Els electrons tant en enllaços simples com en parells no lligats existeixen dins d’orbitals híbrids.

Els electrons en enllaços múltiples existeixen dins d’una cosa anomenada “? -Orbital” que es forma quan un orbital p no hibridat d’un àtom es solapa amb un orbital p no hibridat d’un altre àtom. Vegem com funciona això en oxigen, O2.

Diu el talp

Els electrons dels àtoms no lligats es troben en orbitals s-, p-, d- i f. Els electrons dels àtoms que han format compostos covalents existeixen dins dels orbitals híbrids.

quan es van convertir els estats en estats

Cada àtom d’oxigen en O2té dos parells solitaris d’electrons i un doble enllaç amb l’altre àtom d’oxigen. El primer dels dos enllaços entre els dos àtoms d’oxigen requereix orbitals híbrids (perquè tots els enllaços individuals requereixen orbitals híbrids), però el segon utilitza l’orbital p de recanvi en ambdós àtoms. Com a resultat, un orbital s es barreja amb dos orbitals p per formar tres sp2orbitals.

Fem una ullada a l’aspecte dels orbitals de cada àtom d’oxigen.

Figura 10.7 Els tres sp2els orbitals, que mantenen el solitari parell d’electrons i els electrons compartits en enllaços simples, s’allunyen el més lluny possible l’un de l’altre, amb 120 angles. Els orbitals p de cada àtom d’oxigen (no es mostren) se superposen per formar el doble enllaç.

sqrt de .5

Els tres sp2els orbitals s’estenen el més allunyats els uns dels altres a causa de la repulsió d’electrons. Els orbitals p, que són responsables del doble enllaç, se superposen tant per sobre com per sota de l’enllaç.

La taula següent il·lustra cada tipus d’orbital híbrid que existeix habitualment en compostos covalents, així com el nom i els angles d’enllaç de cada orbital i els noms de cada forma molecular.

Orbitals superposats no hibridats Nom de l'orbital híbrid Angle d'enllaç Forma molecular
1 s, 1 p NS 180 lineal
1 s, 2 p NS2 120 trigonal pla
1 s, 3 p NS3 109.5 tetraèdric
1d, 1s, 3p dsp3 90, 120 trigonal bipiramidal
2d, 1s, 3p d2NS3 90 octaèdric

En termes comuns, els enllaços covalents individuals entre dos àtoms es denominen 'enllaços sigma' o? lligams. Aquests enllaços sigma es creen mitjançant la superposició de dos orbitals híbrids. Cada enllaç múltiple es coneix com a 'enllaç pi' o 'enllaç'. Els enllaços Pi es creen mitjançant la superposició d’orbitals p no hibridats. Utilitzant la taula anterior, cada àtom de l'àtom hibridat sp anterior té dos? bons i dos bons.

Extret de The Complete Idiot's Guide to Chemistry 2003 per Ian Guch. Tots els drets reservats, inclòs el dret de reproducció total o parcial de qualsevol forma. S'utilitza per acord amb Llibres Alfa , membre de Penguin Group (EUA) Inc.

Per demanar aquest llibre directament a l’editor, visiteu el lloc web de Penguin USA o truqueu al 1-800-253-6476. També podeu comprar aquest llibre a Amazon.com i Barnes & Noble .