Hibridizacija orbitala

Izvor: Wikipedia
Četiri sp3 orbitale.
Tri sp2 orbitale.

Hibridizacija je koncept miješanja atomskih orbitala pri čemu se formiraju nove hibridne orbitale. Hibridne orbitale su korisne za objašnjenje i opisivanje geometrijskog oblika molekula.

Istorijat[uredi - уреди]

Teoriju hibridizacije je prvi predložio hemičar Linus Pauling kako bi objasnio strukturu molekula kao što je metan. Prema teoriji i metodi valentne veze, geometrijski oblik molekula i usmjerenost veza u prostoru posljedica je preklapanja atomskih orbitala koje je utoliko povoljnije ukoliko može dostići maksimalnu vrijednost. 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 ugljenik, azot, kiseonik i fosfor.

Vrste hibridizacije[uredi - уреди]

sp3 hibridizacija[uredi - уреди]

Primjer sp3 hibridizacije je molekul metana CH4, koji ima tetraedarski oblik.

Atom ugljenika u osnovnom stanju ima konfiguraciju:

C\quad
  \frac{\uparrow\downarrow}{1s}\;
  \frac{\uparrow\downarrow}{2s}\;
  \frac{\uparrow\,}{2p_x}\;
  \frac{\uparrow\,}{2p_y}\;
  \frac{\,\,}{2p_z}

Od četiri valentna elektrona ugljenika dva se nalaze pod pravim uglom(u dvije p orbitale) a druga dva se nalaze u 2s orbitali te nemaju nikakvo usmjerenje u prostoru, dok su u molekulu metana valence metana usmjerene tetraedarski u prostoru.

Ugljenikov atom pri sjedinjavanju najprije prelazi u stanje promocije (tj. jedan 2s elektron prelazi u praznu 2pz orbitalu):


C^{*}\quad
\frac{\uparrow\downarrow}{1s}\;
\frac{\uparrow\,}{2s}\;
\frac{\uparrow\,}{2p_x}
\frac{\uparrow\,}{2p_y}
\frac{\uparrow\,}{2p_z}

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 se nazivaju sp3 orbitale.


C^{*}\quad
\frac{\uparrow\downarrow}{1s}\;
\frac{\uparrow\,}{sp^3}\;
\frac{\uparrow\,}{sp^3}
\frac{\uparrow\,}{sp^3}
\frac{\uparrow\,}{sp^3}

Preciznije rečeno sp3 hibridne orbitale se dobiju na osnovu rješenja Šredingerove jednačine za konfiguraciju elektrona u pobuđenom stanju tj.nakon promocije i predstavljaju linerarnu kombinaciju s i p orbitala.

Vezivanjem sa četiri atoma vodonika (preklapanjem sp3 hibridnih orbitala ugljenika sa 1s orbitalama vodonika pri čemu se stvaraju četiri sigma veze) nastaje molekul metana koji ima tetraedarski oblik. sp3 hibridizacija je karakteristična za zasićene ugljovodonike.

Do sp3 hibridizacije dolazi i kod atoma kiseonika i azota u molekulu vode i amonijaka. Pri tome u molekulu vode dvije sp3 hibridne orbitale su preklopljene sa 1s orbitalama dva atoma vodonika(tj. uspostavljena je hemijska 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 ugla između veza.

sp2 hibridizacija[uredi - уреди]

Struktura etena.

Primjer sp2 hibridizacije se molekul etena, koji sadrži dvostruku vezu između dva atoma ugljenika. U molekulu etena su sp2 hibridizovana oba atoma ugljenika. Kod atoma ugljenika dolazi do miješanja 2s orbitale sa dvije 2p orbitale, pri čemu se dobiju tri sp2 hibridne orbitale koje se nalaze u istoj ravni a ugao između njih je 120° stepeni. Takođe je ostala i jedna 2p orbitala koja nije hibridizovana.


C^{*}\quad
\frac{\uparrow\downarrow}{1s}\;
\frac{\uparrow\,}{sp^2}\;
\frac{\uparrow\,}{sp^2}
\frac{\uparrow\,}{sp^2}
\frac{\uparrow\,}{p}

U molekulu etena dva atoma ugljenika se međusobno spajaju sigma kovalentnom vezom koja nastaje preklapanjem dvije sp2 orbitale i svaki atom ugljenika stvara dvije sigma veze sa po dva atoma vodonika preklapanjem sp2 orbitale ugljenika i 1s orbitale vodonika. Takođe se između dva atoma ugljenika formira π veza bočnim preklapanjem dvije 2p orbitale koje su normalne na ravan molekula.

sp hibridizacija[uredi - уреди]

Do sp hibridizacije dolazi kod alkina koji sadrže trostruku vezu između dva atoma ugljenika. U ovom slučaju 2s orbitala se miješa samo sa jednom 2p orbitalom pri čemu nastaju dvije sp orbitale između kojih je ugao od 120° stepeni i ostaju dvije 2p orbitale koje su nepromijenjene.


C^{*}\quad
\frac{\uparrow\downarrow}{1s}\;
\frac{\uparrow\,}{sp}\;
\frac{\uparrow\,}{sp}
\frac{\uparrow\,}{p}
\frac{\uparrow\,}{p}

U molekulu etina između dva atoma ugljenika nastaje jedna sigma veza sp–sp preklapanjem i dvije dodatne π veze koje se dobiju bočnim preklapanjem p orbitala. Svaki atom ugljenika stvara i jednu sigma vezu sa atomom vodonika s–sp preklapanjem.

Hibridizacija i oblik molekula[uredi - уреди]

Hibridizacija može objasniti oblike molekula:

  • AX1 (npr. LiH): ne dolazi do hibridizacije; trivijalno linearan oblik
  • AX2 (npr. BeCl2): sp hibridizacija linearan ili dijagonalan oblik; ugao između veza je 180°
    • AX2E (npr. GeF2): savijen V oblik, < 120°
  • AX3 (npr. BCl3): sp2 hibridizacija; trigonalni planarni oblik; uglovi između veza su 120°
  • AX4 (npr. CCl4): sp3 hibridizacija; tetraedarski oblik; uglovi između veza su ≈ 109.5°
    • AX3E (npr. NH3): trigonalno piramidalni, ugao između veza 107° (Slobodni elektronski par neznatno mijenja ugao 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 onda uglovi između veza postaju manji zbog povećanog odbijanja. Na primjer u molekulu vode H2O na atomu kiseonika postoje dvuje veze sa atomima vodonika i dva slobodna elektronska para. Model molekula je onda AX2E2 i dolazi do sp3 hibridizacije i raspored elektronskih parova u molekulu vode je tetraedarski. Ugao između veza je 104.5°.

Eksterni linkovi[uredi - уреди]