Hibridizacija orbitala
Hibridizacija je koncept miješanja atomskih orbitala pri čemu se formiraju nove hibridne orbitale (koje imaju drugi oblik, energiju, ...). Hibridnim orbitalama može se objasniti i opisati geometrijski oblik molekule.
Povijest
urediKemičar Linus Pauling prvi je razvio teoriju hibridizacije 1931. godine kako bi objasnio strukturu jednostavnih molekula poput metana (CH4) uz pomoć atomskih orbitala.[1] Pauling je pokazao da ugljikov atom stvara četiri kemijske veze uz pomoć jedne s i tri p orbitale, pa "može biti pretpostavljeno" da ugljikov atom stvara tri veze pod pravim kutovima (zahvaljujući p orbitalama) i četvrtu, slabiju vezu s orbitale u izabranom smjeru. Metan u stvari ima četiri jednake veze raspoređene pod kutom od 109.5°. Pauling je to pokušao objasniti na sljedeći način: u prisutnosti četiri vodikova atoma, s i p orbitale stvaraju četiri jednake kombinacije, hibridne orbitale, gdje se svaka označava sa sp3 kako bi se naznačio njen sastav, a svaka je usmjerena prema C-H vezi.[2] Ovaj koncept je razvijen samo za jednostavne spojeve, ali isti je pristup kasnije primijenjen i šire. Polazeći od elektronske konfiguracije, nekada je teško objasniti usmjerenost veza u prostoru. Za opisivanje strukture takvih molekula koristi se koncept hibridizacije. Hibridizacija nije neophodna za opisivanje svih molekula, nego uglavnom nalazi primjenu za opisivanje geometrijskog oblika molekula koji sadrže ugljik, dušik, kisik i fosfor.
Vrste hibridizacije
uredisp3 hibridizacija
urediPrimjer sp3 hibridizacije je molekula metana CH4, koji ima tetraedarski oblik.
Atom ugljika u osnovnom stanju ima konfiguraciju:
Od četiri valentna elektrona ugljika, dva se nalaze pod pravim kutom (u dvije p orbitale) a druga dva se nalaze u 2s orbitali te nemaju nikakvo usmjerenje u prostoru, dok su u molekuli metana veze usmjerene tetraedarski u prostoru.
Ugljikov atom pri sjedinjavanju najprije prelazi u stanje promocije (tj. jedan 2s elektron prelazi u praznu 2pz orbitalu):
Nakon toga dolazi do hibridizacije, tj. do ukrštanja ili miješanja jedne 2s i tri 2p orbitale (2px 2py 2pz). Pri tome nastaju četiri jednake orbitale usmjerene ka tjemenima tetraedra u prostoru. Ove orbitale nazivaju se sp3 orbitale.
Preciznije rečeno, sp3 hibridne orbitale se dobiju na osnovu rješenja Shrodingerove jednadžbe za konfiguraciju elektrona u pobuđenom stanju tj. nakon promocije, i predstavljaju linerarnu kombinaciju s i p orbitala.
Vezivanjem s četiri atoma vodika (preklapanjem sp3 hibridnih orbitala ugljika s 1s orbitalama vodika pri čemu se stvaraju četiri sigma veze) nastaje molekula metana koji ima tetraedarski oblik. sp3 hibridizacija je karakteristična za zasićene ugljikovodike.
Do sp3 hibridizacije dolazi i kod atoma kisika i dušika u molekuli vode i amonijaka. Pri tome u molekuli vode dvije sp3 hibridne orbitale preklopljene su s 1s orbitalama dva atoma vodika (tj. uspostavljena je kemijska veza) a dvije sp3 hibridne orbitale sadrže dva slobodna elektronska para. Kod molekula amonijaka, jedna sp3 hibridna orbitala sadrži slobodan elektronski par. Slobodni elektronski parovi se odbijaju, a djeluju i na elektrone u preostalim hibridnim orbitalama zbog čega dolazi do smanjivanja kuta između veza.
sp2 hibridizacija
urediPrimjer sp2 hibridizacije je molekula etena, koji sadrži dvostruku vezu između dva atoma ugljika. U molekuli etena su sp2 hibridizirana oba atoma ugljika. Kod atoma ugljika dolazi do miješanja 2s orbitale s dvije 2p orbitale, pri čemu se dobiju tri sp2 hibridne orbitale koje se nalaze u istoj ravnini, a kut između njih iznosi 120°. Također je ostala i jedna 2p orbitala koja nije hibridizirana.
U molekuli etena dva atoma ugljika se međusobno spajaju sigma kovalentnom vezom koja nastaje preklapanjem dvije sp2 orbitale i svaki atom ugljika stvara dvije sigma veze s po dva atoma vodika preklapanjem sp2 orbitale ugljika i 1s orbitale vodika. Također se između dva atoma ugljika formira π veza bočnim preklapanjem dvije 2p orbitale koje su uvijek prisutne u dvostrukoj vezi.
sp hibridizacija
urediDo sp hibridizacije dolazi kod alkina koji sadrže trostruku vezu između dva atoma ugljika. U ovom slučaju 2s orbitala se miješa samo s jednom 2p orbitalom pri čemu nastaju dvije sp orbitale između kojih je kut od 180°, pa ostaju dvije 2p orbitale koje su nepromijenjene.
U molekuli etina između dva atoma ugljika nastaje jedna sigma veza sp–sp preklapanjem i dvije dodatne π veze koje se dobiju bočnim preklapanjem p orbitala. Svaki atom ugljika stvara i jednu sigma vezu s atomom vodika s–sp preklapanjem.
Hibridizacija i oblik molekula
urediHibridizacija može objasniti oblike molekula:
- AX1 (npr. LiH): ne dolazi do hibridizacije; trivijalno linearan oblik
- AX2 (npr. BeCl2): sp hibridizacija; linearan ili dijagonalan oblik; kut između veza je 180°
- AX2E (npr. GeF2): savijen V oblik, kut < 120°
- AX3 (npr. BCl3): sp2 hibridizacija; trigonalni planarni oblik; kutovi između veza su 120°
- AX4 (npr. CCl4): sp3 hibridizacija; tetraedarski oblik; kutovi između veza su ≈ 109.5°
- AX3E (npr. NH3): trigonalno piramidalni oblik; kut između veza je 107° (Slobodni elektronski par neznatno mijenja kut između veza zbog povećanog odbijanja)
- AX5 (npr. PCl5): sp3d hibridizacija; trigonalno bipiramidalni oblik
- AX6 (npr. SF6): sp3d2 hibridizacija; oktaedarni (ili kvadratno bipiramidalni oblik).
Ako na centralnom atomu ima slobodnih elektronskih parova, kutovi između veza postaju manji zbog povećanog odbijanja. Na primjer u molekuli vode H2O na atomu kisika postoje dvije veze s atomima vodika i dva slobodna elektronska para. Model molekule je onda AX2E2 i dolazi do sp3 hibridizacije, pa je raspored elektronskih parova u molekuli vode tetraedarski. Kut između veza je 104.5°.
Izvori
uredi- ↑ Pauling, L. 1931. The nature of the chemical bond. Application of results obtained from the quantum mechanics and from a theory of paramagnetic susceptibility to the structure of molecules. Journal of the American Chemical Society. 53. str. 1367–1400. doi:10.1021/ja01355a027
- ↑ L. Pauling The Nature of the Chemical Bond (3rd ed., Oxford University Press 1960) p.111–120.
Vanjske poveznice
uredi- Covalent Bonds and Molecular Structure Arhivirana inačica izvorne stranice od 10. veljače 2009. (Wayback Machine) (engl.)
- Hybridisation flash movie (engl.)