Kdy dochází k hybridizaci?

Jedná se o matematický postup, který zahrnuje vytvoření smíšených elektronových orbitalů pomocí lineární kombinace vhodných vlnových funkcí. Začátek práce na této problematice se datuje do roku 1931, kdy Linus Pauling navrhl odpověď na strukturu metanu – jako prostorový systém vazeb. Vazba v molekulách, jako jsou dvouatomové molekuly vodíku, je jednoduchá, ale geometrie organických sloučenin, které mají ve své struktuře čtyřmocné atomy uhlíku, je mnohem složitější.

Metan – sp 3 hybridizace

Nejjednodušší organickou sloučeninou je molekula metanu, která má jeden atom uhlíku. Ve svém valenčním obalu má čtyři elektrony, takže je schopen vytvořit čtyři vazby v molekule metanu se čtyřmi atomy vodíku. Původně se předpokládalo, že díky použití dvou typů orbitalů, 2s a 2p, při vytváření vazeb, má metan dva různé typy C-H vazeb. Další výzkum však ukázal velmi vysokou pravděpodobnost, že navzdory těmto předpokladům je každá vazba C-H přítomná v metanu totožná a prostorově orientovaná s vrcholy pravidelného čtyřstěnu. Byl to Linus Pauling, kdo odpověděl na otázku, proč se tak děje. Matematicky ukázal, jak je možná hybridizace, tedy smíchání orbitalu s a tří orbitalů p. V důsledku toho vznikají čtyři stejné atomové orbitaly, jejichž prostorová geometrie má tvar čtyřstěnu. Tento typ hybridizace byl nazýván sp 3 typ. Samotný koncept hybridizace logicky vysvětluje, jak se různé orbitaly mísí, ale neodpovídá na otázku, proč k takovým změnám dochází. To je však pochopitelné. Když orbital s hybridizuje, mísí se se třemi orbitaly p a výsledné hybridizované orbitaly nejsou symetricky umístěny vzhledem k jádru. Ukazuje se, že vytvořený orbital sp 3 má jednu menší smyčku a druhou větší smyčku. Ten druhý, mnohem větší, se při vytváření vazby mnohem lépe překrývá s orbitalem jiného atomu. Výsledkem je, že sp 3 orbitaly takového hybridu tvoří vazby, které jsou mnohem silnější než nehybridizované orbitaly s a p.

Mechanismus sp 3 hybridizace

V orbitalech sp 3 existuje asymetrie spojená s vlnovou rovnicí popisující orbital p, díky čemuž mají dvě smyčky opačná znaménka – mínus a plus. Kvůli této vlastnosti, v důsledku překrytí orbitalů p a s, je jedna ze smyček orbitalu p aditivní a druhá je subtraktivní s orbitalem s. Orbital s je poté přidán k nebo odečten, což vede k vysoce orientovanému hybridnímu orbitalu v jednom směru.

V případě, že se identické orbitaly sp 3 hybridizovaného atomu uhlíku překrývají s 1s orbitaly čtyř atomů vodíku, jsou výsledné CH vazby identické. V metanu je jejich vazebná energie 438 kJ/mol a jejich délka je až 1,10 Å. Toto jsou charakteristické hodnoty, které jsou pro danou vazbu v dané molekule neměnné. Další charakteristickou vlastností geometrie této molekuly je úhel mezi vazbami. Určuje velikost úhlu vytvořeného mezi dvěma následujícími vazbami HCH a je přesně 109,5°. Jedná se o tzv. čtyřstěnný úhel.

Ethan – sp 3 hybridizace

Další sloučeninou, na kterou lze nahlížet stejným způsobem, je vazba C-C mezi atomy uhlíku – ethan. Atomy uhlíku přítomné ve struktuře jsou navzájem spojeny v důsledku překrývajících se σ orbitalů hybridu sp 3 každého z nich. Zbývající tři hybridizované orbitaly každého atomu uhlíku se překrývají s 1s orbitaly atomů vodíku. Vznikne tak šest stejných CH vazeb. Takové vazby se vyznačují energií 420 kJ/mol. Vazby C-C však mají energii 276 kJ/mol a jejich délka je 1,54 Å. Úhly vytvořené v této konfiguraci jsou čtyřstěnné (109,5°).

Hybridizace ethylen – sp 2

Nejběžnějším elektronickým stavem uhlíku je hybridizace sp 3, ale existují i ​​jiné varianty. Výzkumy ukázaly, že například ve struktuře etylenu mají atomy uhlíku patřičný počet vazeb pouze tehdy, když se vzájemně spojí, přičemž sdílejí čtyři elektrony. Mezi sebou pak tvoří dvojnou vazbu. Faktem také je, že etylen má plochou strukturu a úhly svírající jeho vazby jsou 120°. V tomto případě se orbitaly 2s mísí pouze se dvěma ze tří dostupných orbitalů 2p. Výsledkem je přítomnost tří hybridizovaných orbitalů označovaných jako sp 2 typ. Existuje také jeden 2p orbital, který nepodléhá hybridizaci. Geometrická struktura je následující – tři hybridizované orbitaly jsou ve stejné rovině, svírají navzájem úhel 120° a nehybridizovaný orbital p je kolmý k rovině sp 2.

sp 2 hybridizace – mechanismus

Dva atomy uhlíku s hybridizací sp2 tvoří vazbu σ jako výsledek překrývajících se orbitalů sp2-sp2. Nehybridizované orbitaly atomů p se v příčném směru překrývají, což má za následek vznik vazby π. V takovém spojení se oblasti elektronové hustoty objevují na obou stranách čar mezi jádry, ale ne přímo mezi nimi. Tato konfigurace, zahrnující σ vazbu hybridu sp 2 a vazbu π nehybridizovaných atomů, má za následek, že dva atomy uhlíku sdílejí čtyři elektrony a tvoří dvojnou vazbu C=C.

Struktura ethylenu tedy obsahuje čtyři atomy vodíku, které tvoří vazbu σ se čtyřmi sp 2 orbitaly zbývajícími po vytvoření dvojné vazby. Molekula má plochou geometrii a úhly mezi vazbami jsou asi 120°. Hodnoty charakterizující vazbu C-H se rovnají délce 1,076 Å a energii 444 kJ/mol. Vzhledem k tomu, že ve srovnání např. se strukturou etanu nejsou sdíleny dva, ale čtyři elektrony, je dvojná vazba C=C kratší a silnější než jednoduchá vazba C-C. V ethylenu má délku 1,33 Å a energii 611 kJ/mol. Pomocí teorie molekulárních orbitalů lze také vidět, že když se spojí dva atomové orbitaly p, vytvoří se vazebné a antivazebné molekulární orbitaly π. Vazebný orbital nemá uzel mezi svými jádry kvůli aditivní kombinaci smyček p se stejným algebraickým znaménkem. Na druhé straně antivazebný orbital má mezi jádry uzel v důsledku subtraktivního efektu smyček s různými algebraickými znaménky. To má za následek zaplnění pouze méně energetického vazebného molekulárního orbitálu.

Acetylen – sp hybridizace

Další možností, jak se atomy uhlíku spojit, je vytvořit trojnou vazbu, která sdílí šest elektronů. Proto je nutné zavést další orbitální hybridizaci zvanou sp. V této konfiguraci se orbital 2s atomu uhlíku mísí pouze s jedním orbitalem p. To vede k vytvoření dvou sp hybridizačních orbitalů a dvou p orbitalů. sp orbitaly mají lineární strukturu a úhel mezi nimi je 180° podél osy x. Na druhé straně zbývající orbitaly p jsou kolmé k ostatním osám yaz. V případě překrytí dvou atomů uhlíku, jejichž hybridizace se provádí podle typu sp, dochází k frontálnímu překrytí, jehož výsledkem je vznik silné σ vazby typu sp-sp. Navíc oba p orbitaly_y a str_z překrývají se příčně a tvoří π vazby typu p_y-p_y a π typu p_z-p_z respektive. Výsledkem je, že šest sdílených elektronů tvoří C≡C trojnou vazbu. Zbývající sp hybridní orbitaly vytvářejí σ vazby s atomy vodíku.

Díky sp hybridizaci, ke které dochází v ethynu, jde o lineární molekulu s úhly mezi HCC vazbami 180°. Vazba C-H v acetylenu má délku 1,06 Á a energii 552 kJ/mol. Ve srovnání s jednoduchými a dvojnými vazbami je délka vazby kratší a energie je větší. Hodnoty jsou 1,20Å, respektive 835 kJ/mol. Jedná se o nejkratší a nejsilnější vazbu mezi atomy uhlíku.

Hybridizace jiných atomů

Koncepty tří typů hybridizace – sp, sp 2 a sp 3 – platí nejen pro struktury obsahující atomy uhlíku. Další prvky mohou být také popsány v molekulách pomocí hybridizovaných orbitalů.

1. Molekula amoniaku NH₃ – Atom dusíku má pět valenčních elektronů a tvoří tři atomové vazby směřující k oktetu. Úhel mezi HNH- vazbami byl experimentálně naměřen na 107,3°, takže je blízký čtyřstěnnému úhlu. To naznačuje, že amoniak by měl být zvažován v kategorii hybridizace sp 3. Atom dusíku hybridizuje za vzniku čtyř orbitalů sp 3: jeden má dva nevazebné elektrony a ostatní obsahují jeden vazebný elektron. V důsledku překrytí hybridizovaných orbitalů s 1s orbitaly vzniká vazba typu σ, jejíž délka je 1,008 Å a energie 449 kJ/mol.
2. Molekula vody H₂O – atom kyslíku také hybridizuje s typem sp 3. Má však šest valenčních elektronů, takže tvoří dvě atomové vazby a zbývají dva volné páry elektronů. Úhel mezi H-O-H vazbami v molekule je 104,5°, takže se také blíží tetraedrické hodnotě, což ukazuje na hybridizaci. Menší hodnoty úhlu jsou pravděpodobně výsledkem toho, že máte až dva volné páry elektronů, které se navzájem odpuzují. Délka vazby OH je 0,958 Á a její energie je 498 kJ/mol.
3. Molekula fluoridu boritého BF₃ – atom boru má tři valenční elektrony, takže může tvořit pouze tři vazby, které nedosahují oktetu. Přítomné atomy fluoru s ním však tvoří BF vazby umístěné v prostoru co nejdále od sebe. To vede k trigonální struktuře molekuly a hybridizaci sp2. Každý ze tří atomů fluoru se váže na hybridizovaný orbital boru, přičemž jeho orbital p zůstává nevyplněný.

1. Hybridizace metan – sp3
2. Mechanismus hybridizace sp3
3. Ethan – sp3 hybridizace
4. Hybridizace ethylen – sp2
5. sp2 hybridizace – mechanismus
6. Acetylen – sp hybridizace
7. Hybridizace jiných atomů