Σχήματα απλών μορίων – Υβριδισμός (s και p)

Εισαγωγή

Τα μόρια έχουν διαφορετικές μορφές. Από τα φυσικά τους χαρακτηριστικά έως τη χημική τους αντιδραστικότητα, υπάρχει πληθώρα επιστημονικών στοιχείων που υποστηρίζουν αυτόν τον ισχυρισμό. Τα μικρά μόρια, που ορίζονται ως εκείνα με ένα άτομο πυρήνα, έχουν προβλέψιμες δομές. Η απώθηση ζεύγους ηλεκτρονίων κελύφους σθένους είναι μια θεμελιώδης έννοια στις μοριακές δομές (VSEPR). Σύμφωνα με το VSEPR, τα ζεύγη ηλεκτρονίων απωθούν το ένα το άλλο για να απομακρυνθούν όσο το δυνατόν περισσότερο το ένα από το άλλο επειδή αποτελούνται από αρνητικά φορτισμένα σωματίδια. Το VSEPR κάνει διάκριση μεταξύ της γεωμετρίας των ομάδων ηλεκτρονίων, η οποία περιγράφει τη διάταξη των ηλεκτρονικών ομάδων (δεσμούς και μη δεσμευτικά ζεύγη ηλεκτρονίων) και τη μοριακή γεωμετρία, η οποία περιγράφει τη διάταξη των ατόμων σε ένα μόριο.

Οποιοδήποτε είδος δεσμού - απλοί, διπλοί ή τριπλοί - και μοναχικά ζεύγη ηλεκτρονίων είναι οι δύο τύποι ομάδων ηλεκτρονίων. Το αρχικό βήμα στη χρήση του VSEPR σε απλές ενώσεις είναι η μέτρηση του αριθμού των ομάδων ηλεκτρονίων που περιβάλλουν το άτομο του πυρήνα. Είναι σημαντικό να θυμάστε ότι ένας πολλαπλός δεσμός μετράει μόνο ως μία ομάδα ηλεκτρονίων.

Γραμμικό μόριο

Η αξιοσημείωτη ιδιότητα των γραμμικών μορίων είναι ότι όλες οι ομάδες ηλεκτρονίων απωθούνται αμοιβαία, με αποτέλεσμα τα άτομα τους να ευθυγραμμίζονται σε ευθεία γραμμή με γωνία δεσμού 180 μοιρών.

Μη γραμμικό μόριο

Η απώθηση μεταξύ των ομάδων ηλεκτρονίων σε μη γραμμικά μόρια δεν είναι η ίδια. ανακαλύφθηκε ότι η απώθηση μεταξύ ενός μοναχικού ζεύγους και ενός ζεύγους σύνδεσης είναι ισχυρότερη από εκείνη μεταξύ δύο ζευγών σύνδεσης. Σε αυτό οφείλονται η λυγισμένη δομή του μορίου H2O και η τριγωνική πυραμιδική ή τριγωνική επίπεδη μορφή του μορίου NH3.

Τετραεδρικά μόρια

Όταν τα τετρασθενή άτομα (όπως ο άνθρακας και το πυρίτιο) σχηματίζουν τέλεια ομοιοπολικότητα με άτομα του ίδιου στοιχείου, σχηματίζονται τετραεδρικά μόρια. Οι τέσσερις ομοιοπολικοί δεσμοί είναι συμμετρικά διασκορπισμένοι σε τρεις διαστάσεις, με γωνία 109,5 μοιρών μεταξύ οποιωνδήποτε δύο ζευγών σύνδεσης.

Παραδείγματα μπορούν να φανούν στο  μεθάνιο, CH4. σιλάνιο, SiH4; και τετραχλωρομεθάνιο, CCl4

Υβριδισμός

Η έννοια του υβριδισμού είναι ότι τα ατομικά τροχιακά συγχωνεύονται για να δημιουργήσουν φρέσκα υβριδισμένα τροχιακά, τα οποία επηρεάζουν το σχήμα του μορίου και τις ιδιότητες σύνδεσης. Η υπόθεση του δεσμού σθένους επεκτείνεται επιπλέον με υβριδισμό. Για να διερευνήσουμε περαιτέρω αυτήν την έννοια, θα χρησιμοποιήσουμε τρεις διαφορετικούς τύπους μορίων υδρογονανθράκων για να αποδείξουμε τον υβριδισμό sp3, sp2, sp.

Όταν δύο ατομικά τροχιακά συνδυάζονται για να σχηματίσουν ένα υβριδικό τροχιακό σε ένα μόριο, η ενέργεια των τροχιακών μεμονωμένων ατόμων ανακατανέμεται για να δώσει τροχιακά ισοδύναμης ενέργειας. Η υβριδοποίηση είναι ο όρος για αυτή τη διαδικασία. Τα ατομικά τροχιακά με συγκρίσιμες ενέργειες αναμειγνύονται μεταξύ τους κατά τη διάρκεια της διαδικασίας υβριδισμού, η οποία συνήθως περιλαμβάνει τη συγχώνευση δύο τροχιακών «s» ή τριών τροχιακών «p» ή την ανάμειξη τροχιακού ενός με δύο τροχιακά «p» καθώς και τροχιακό με τροχιακό «p».

Τύποι υβριδισμού

Ο υβριδισμός μπορεί να ταξινομηθεί ως sp3, sp2, sp, sp3d, sp3d2, sp3d3 ανάλογα με τους τύπους των τροχιακών που εμπλέκονται στην ανάμειξη. Ας δούμε τους πολλούς τύπους υβριδισμού και μερικά παραδείγματα καθενός.

sp Υβριδισμός

Όταν ένα s και ένα p τροχιακό στο ίδιο κύριο κέλυφος ενός ατόμου συνδυάζονται για να δημιουργήσουν δύο νέα ισοδύναμα τροχιακά, αυτό είναι γνωστό ως υβριδισμός sp. Τα sp υβριδισμένα τροχιακά είναι νέα τροχιακά που αναπτύσσονται. Παράγει γραμμικά μόρια 180 μοιρών.

• Το τροχιακό ενός και ένα τροχιακό "p" ίσης ενέργειας αναμειγνύονται για να σχηματίσουν ένα νέο υβριδικό τροχιακό γνωστό ως υβριδισμένο τροχιακό sp.
• Ο διαγώνιος υβριδισμός είναι επίσης το όνομα για τον υβριδισμό sp.
• Κάθε υβριδοποιημένο τροχιακό sp έχει την ίδια αναλογία χαρακτήρων s και p – 50 τοις εκατό s και 50 τοις εκατό p.

sp Παραδείγματα υβριδισμού:

•  Ενώσεις βηρυλλίου όπως BeF2, BeH2, BeCl2
• Όλες οι ενώσεις τριπλού δεσμού που περιέχουν άνθρακα όπως το C2H2.

sp 2  Υβριδισμός

Όταν ένα s και δύο p τροχιακά του ίδιου κελύφους ενός ατόμου συνδυάζονται για να δημιουργήσουν τρία ισοδύναμα τροχιακά, αυτό είναι γνωστό ως υβριδισμός sp2. Τα υβριδικά τροχιακά sp2 είναι τα νέα τροχιακά που έχουν δημιουργήσει.

• Ο τριγωνικός υβριδισμός είναι ένα άλλο όνομα για τον υβριδισμό sp2.
• Συνεπάγεται το συνδυασμό του τροχιακού κάποιου με δύο τροχιακά "p" ίσης ενέργειας για να σχηματιστεί το υβριδικό τροχιακό sp2.
• Ένα μείγμα τριγωνικής συμμετρίας s και p τροχιακών διατηρείται στις 120 μοίρες.
• Και τα τρία υβριδικά τροχιακά βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο και σχηματίζουν γωνία 120° μεταξύ τους. Τα υβριδικά τροχιακά έχουν χαρακτήρα 33,33 τοις εκατό και χαρακτήρα «p» 66,66 τοις εκατό σε καθένα από αυτά.
• Μια επίπεδη μορφή τριγώνου βρίσκεται σε μόρια στα οποία το κεντρικό άτομο συνδέεται με τρία άλλα άτομα και είναι υβριδοποιημένο sp2.

Παραδείγματα υβριδισμού sp2

• Οι ενώσεις του βορίου, δηλαδή BF3, BH3
• Οι ενώσεις  ενός διπλού δεσμού άνθρακα-άνθρακα, το αιθυλένιο (C2H4) που περιέχει άνθρακα είναι επίσης το παράδειγμα αυτού του υβριδισμού.

sp 3  Υβριδισμός

Ένας τετραεδρικός υβριδισμός, ή sp3, συμβαίνει όταν τα τροχιακά κάποιου και τα τρία τροχιακά «p» που ανήκουν στο ίδιο κέλυφος ενός ατόμου συνδυάζονται για να δημιουργήσουν τέσσερα νέα ισοδύναμα τροχιακά. Τα υβριδικά τροχιακά sp3 είναι τα νέα τροχιακά που έχουν δημιουργηθεί.

• Στοχεύονται στις τέσσερις γωνίες ενός συμβατικού τετραέδρου και σχηματίζουν γωνία 109°28′ μεταξύ τους.
• Τα υβριδικά τροχιακά sp3 έχουν γωνία 109,28 μοιρών μεταξύ τους.
• Κάθε υβριδικό τροχιακό sp3 περιέχει 25% χαρακτήρα s και 75% χαρακτήρα p.

Παραδείγματα αυτού του υβριδισμού είναι: αιθάνιο (C2H6), μεθάνιο.

sp 3 d Υβριδισμός

Η ανάμειξη τροχιακών 1s, 3p και 1d για τη δημιουργία 5 sp3d υβριδισμένων τροχιακών ίσης ενέργειας είναι γνωστή ως υβριδισμός sp3d. Η γεωμετρία τους είναι τριγωνική διπυραμιδική.

• Η τριγωνική διπυραμιδική συμμετρία σχηματίζεται από το συνδυασμό των τροχιακών s, p και d.
• Τα ισημερινά τροχιακά είναι τρία υβριδικά τροχιακά στο οριζόντιο επίπεδο που είναι κεκλιμένα σε γωνία 120° μεταξύ τους.
• Τα υπόλοιπα δύο τροχιακά, γνωστά ως αξονικά τροχιακά, βρίσκονται στο κατακόρυφο επίπεδο σε 90 μοίρες ως προς τα τροχιακά του ισημερινού.

Παράδειγμα:  Υβριδισμός σε πενταχλωριούχο φώσφορο (PCl5)

Συμπέρασμα

Όλα τα μήκη δεσμού γίνονται ίσα καθ' όλη τη διάρκεια της διαδικασίας υβριδισμού. Η θεωρία απώθησης ζεύγους ηλεκτρονίων φλοιού σθένους βοηθά στην εξήγηση των γωνιών δεσμών (θεωρία VSEPR). Σύμφωνα με αυτήν την ιδέα, τα ζεύγη ηλεκτρονίων αντιστέκονται το ένα στο άλλο, επομένως τα ζεύγη ηλεκτρονίων σε δεσμούς ή τα μεμονωμένα ζεύγη σε τροχιακά γύρω από ένα άτομο θέλουν να κρατηθούν όσο το δυνατόν πιο μακριά το ένα από το άλλο.