Hibridização Sp3 de nuvens de elétrons de um átomo de carbono. Tipos de hibridização de ao

Uma molécula poliatômica com a aparência dos mesmos orbitais, equivalentes em suas características.

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✪ Hibridização de orbitais de elétrons

✪ Citologia. Aula 46. Hibridização orbital

✪ Hibridização. Moléculas polares e não polares. Auto-preparação para o exame e TC em química

Legendas

Conceito de hibridização

Conceito de hibridização de orbitais atômicos de valência foi proposta pelo químico americano Linus Pauling para responder à questão de por que, quando o átomo central tem orbitais de valência diferentes (s, p, d), as ligações por ele formadas em moléculas poliatômicas com os mesmos ligantes são equivalentes em suas características energéticas e espaciais.

Os conceitos de hibridização são centrais para o método de ligação de valência. A hibridização em si não é um processo físico real, mas apenas um modelo conveniente que permite explicar a estrutura eletrônica das moléculas, em particular, modificações hipotéticas de orbitais atômicos durante a formação de uma ligação química covalente, em particular, o alinhamento dos comprimentos das ligações químicas e ângulos de ligação em uma molécula.

O conceito de hibridização foi aplicado com sucesso à descrição qualitativa de moléculas simples, mas foi posteriormente estendido para outras mais complexas. Ao contrário da teoria dos orbitais moleculares, não é estritamente quantitativa, por exemplo, é incapaz de prever os espectros de fotoelétrons mesmo de moléculas simples como a água. Atualmente é usado principalmente para fins metodológicos e em química orgânica sintética.

Esse princípio se reflete na teoria da repulsão dos pares de elétrons de Gillespie - Nyholm, a primeira e mais importante regra, que foi formulada da seguinte forma:

A segunda regra era que "Todos os pares de elétrons incluídos na camada de elétrons de valência são considerados localizados na mesma distância do núcleo".

Tipos de hibridização

hibridização sp

Ocorre quando um orbital s e um orbitais p são misturados. Dois orbitais sp-atômicos equivalentes são formados, localizados linearmente em um ângulo de 180 graus e direcionados em diferentes direções do núcleo do átomo central. Os dois orbitais p não híbridos restantes estão localizados em planos perpendiculares entre si e participam da formação de ligações π, ou estão ocupados com pares de elétrons isolados.

sp 2 -Hybridization

Ocorre quando um orbital se dois orbitais p são misturados. Três orbitais híbridos são formados com eixos localizados no mesmo plano e direcionados aos vértices do triângulo em um ângulo de 120 graus. O orbital p-atômico não híbrido é perpendicular ao plano e, via de regra, participa da formação de ligações π.

sp 3 -Hybridization

Ocorre quando um orbitais s- e três p-orbitais são misturados, formando quatro orbitais híbridos sp 3 equivalentes em forma e energia.

Os eixos dos orbitais híbridos sp 3 são direcionados para os vértices do tetraedro, enquanto o núcleo do átomo central está localizado no centro da esfera descrita deste tetraedro. O ângulo entre quaisquer dois eixos é de aproximadamente 109 ° 28 ", o que corresponde à energia de repulsão de elétrons mais baixa. Também os orbitais sp 3 podem formar quatro ligações σ com outros átomos ou ser preenchidos com pares de elétrons isolados. Este estado é típico para átomos de carbono em hidrocarbonetos saturados e, consequentemente em radicais alquil e seus derivados.

Hibridização e geometria molecular

O conceito de hibridização de orbitais atômicos fundamenta a teoria da repulsão dos pares de elétrons Gillespie-Nicholm. Cada tipo de hibridização corresponde a uma orientação espacial estritamente definida dos orbitais híbridos do átomo central, o que permite que seja usada como base para conceitos estereoquímicos em química inorgânica.

A tabela mostra exemplos da correspondência entre os tipos mais comuns de hibridização e a estrutura geométrica das moléculas, na suposição de que todos os orbitais híbridos estão envolvidos na formação de ligações químicas (não há pares de elétrons solitários).

Conceito de hibridização

Conceito de hibridização de orbitais atômicos de valência foi proposta pelo químico americano Linus Pauling para responder à questão de por que, quando o átomo central tem orbitais de valência diferentes (s, p, d), as ligações por ele formadas em moléculas poliatômicas com os mesmos ligantes são equivalentes em suas características energéticas e espaciais.

Os conceitos de hibridização são centrais para o método de ligação de valência. A hibridização em si não é um processo físico real, mas apenas um modelo conveniente que torna possível explicar a estrutura eletrônica das moléculas, em particular, modificações hipotéticas de orbitais atômicos durante a formação de uma ligação química covalente, em particular, o alinhamento dos comprimentos das ligações químicas e ângulos de ligação em uma molécula.

O conceito de hibridização foi aplicado com sucesso à descrição qualitativa de moléculas simples, mas foi posteriormente estendido para outras mais complexas. Ao contrário da teoria dos orbitais moleculares, não é estritamente quantitativa, por exemplo, não é capaz de prever os espectros de fotoelétrons nem mesmo de moléculas simples como a água. Atualmente é usado principalmente para fins metodológicos e em química orgânica sintética.

Este princípio se reflete na teoria da repulsão dos pares de elétrons Gillespie - Nicholm. A primeira e mais importante regra foi formulada da seguinte forma:

A segunda regra é que "Todos os pares de elétrons incluídos na camada de elétrons de valência são considerados localizados na mesma distância do núcleo".

Tipos de hibridização

hibridização sp

Ocorre quando um orbital s e um orbitais p são misturados. Dois orbitais atômicos sp equivalentes são formados, localizados linearmente em um ângulo de 180 graus e direcionados em direções diferentes do núcleo do átomo de carbono. Os dois orbitais p não híbridos restantes estão localizados em planos perpendiculares entre si e participam da formação de ligações π, ou estão ocupados com pares de elétrons isolados.

sp 2 -hibridização

Ocorre quando um orbital se dois orbitais p são misturados. Três orbitais híbridos são formados com eixos localizados no mesmo plano e direcionados aos vértices do triângulo em um ângulo de 120 graus. O orbital p-atômico não híbrido é perpendicular ao plano e, via de regra, participa da formação de ligações π.

sp 3 -hibridização

Ocorre quando um orbital s e três orbitais p são misturados, formando quatro orbitais híbridos sp3 de forma e energia iguais. Eles podem formar quatro ligações σ com outros átomos ou ser preenchidos com pares solitários de elétrons.

Os eixos dos orbitais híbridos sp3 são direcionados aos vértices do tetraedro regular. O ângulo tetraédrico entre eles é de 109 ° 28 ", que corresponde à menor energia de repulsão dos elétrons. Além disso, os orbitais sp3 podem formar quatro ligações σ com outros átomos ou ser preenchidos com pares solitários de elétrons.

Hibridização e geometria molecular

O conceito de hibridização de orbitais atômicos fundamenta a teoria da repulsão dos pares de elétrons Gillespie-Nicholm. Cada tipo de hibridização corresponde a uma orientação espacial estritamente definida dos orbitais híbridos do átomo central, o que permite que seja usada como base para conceitos estereoquímicos em química inorgânica.

A tabela mostra exemplos da correspondência entre os tipos mais comuns de hibridização e a estrutura geométrica das moléculas, na suposição de que todos os orbitais híbridos estão envolvidos na formação de ligações químicas (não há pares de elétrons solitários).

Tipo de hibridização	Número orbitais híbridos	Geometria	Estrutura	Exemplos de
sp	2	Linear		BeF 2, CO 2, NO 2 +
sp 2	3	Triangular		BF 3, NO 3 -, CO 3 2-
sp 3	4	Tetraédrico		CH 4, ClO 4 -, SO 4 2-, NH 4 +
dsp 2	4	Quadrado		Ni (CO) 4, XeF 4
sp 3 d	5	Hexaédrica		PCl 5, AsF 5
sp 3 d 2	6	Octaédrico		SF 6, Fe (CN) 6 3-, CoF 6 3-

Links

Literatura

• Pauling L. A natureza da ligação química / Per. do inglês M. E. Dyatkina. Ed. prof. Ya.K. Syrkin. - M.; L .: Goskhimizdat, 1947.-- 440 p.
• Pauling L. Química Geral. Por. do inglês - M .: Mir, 1974.-- 846 p.
• Minkin V.I., Simkin B. Ya., Minyaev R.M. A teoria da estrutura das moléculas. - Rostov-on-Don: Phoenix, 1997.-- S. 397-406. - ISBN 5-222-00106-7
• Gillespie R. Geometria das moléculas / Per. do inglês E. Z. Zasorin e V. S. Mastryukov, ed. Yu.A. Pentina. - M.: Mir, 1975.-- 278 p.

Veja também

Notas

Fundação Wikimedia. 2010.

Hibridização orbital - alinhamento de energia e forma de orbitais.

A essência do processo de hibridização de orbitais atômicos é que um elétron próximo ao núcleo de um átomo ligado é caracterizado não por um orbital atômico separado, mas por uma combinação de orbitais atômicos com o mesmo número quântico principal. Essa combinação é chamada de orbital híbrido. A hibridização afeta apenas os orbitais atômicos de energia mais alta e próxima ocupados por elétrons.

Orbitais híbridos têm uma forma assimétrica, alongada em direção ao átomo anexado.

Visualização orbital atômica de mistura híbrida s- e p-orbitais.

As nuvens de elétrons são mutuamente repulsivas e estão localizadas no espaço à distância máxima entre si, que corresponde ao mínimo da energia de repulsão elétron-elétron. Nesse caso, os eixos dos quatro orbitais sp 3 -híbridos são direcionados aos vértices do tetraedro (pirâmide triangular regular) e os ângulos entre esses orbitais são tetraédricos, iguais a 109 ° 28 ".

O tipo de hibridização determina a geometria da molécula ou íon.

Tipos de hibridização

Os vértices dos orbitais de elétrons podem se sobrepor uns aos outros. A sobreposição de nuvens de elétrons ao longo de uma linha que passa pelos centros dos átomos é chamada sigma (ϭ ) -conexão .

Ligação covalente formada por sobreposição lateral r-orbitais de átomos de carbono adjacentes são chamados pi (π ) -conexão .

Porque área de sobreposição orbital em π - houver menos ligações, então a própria ligação é menos forte do que a ligação ϭ.

Em 1930, Slater e L. Pauling desenvolveram a teoria da formação de uma ligação covalente devido à sobreposição de orbitais de elétrons - o método das ligações de valência. Este método é baseado no método de hibridização, que descreve a formação de moléculas de substâncias devido à "mistura" de orbitais híbridos (não elétrons, mas orbitais são "misturados").

DEFINIÇÃO

Hibridização - misturar orbitais e alinhá-los em forma e energia. Então, ao misturar os orbitais s- e p, obtemos o tipo de hibridização dos orbitais sp, s- e 2-p - orbitais sp 2, s- e 3-p - sp 3. Existem outros tipos de hibridização, por exemplo, sp 3 d, sp 3 d 2 e mais complexos.

Determinação do tipo de hibridização de moléculas com ligação covalente

O tipo de hibridização pode ser determinado apenas para moléculas com uma ligação covalente do tipo AB n, onde n é maior ou igual a dois, A é o átomo central e B é o ligante. Apenas os orbitais de valência do átomo central entram em hibridização.

Vamos determinar o tipo de hibridização usando o exemplo da molécula BeH 2.

Inicialmente, anotamos as configurações eletrônicas do átomo central e do ligante e desenhamos fórmulas elétron-gráficas.

O átomo de berílio (átomo central) possui orbitais 2p vazios, portanto, para receber um elétron de cada átomo de hidrogênio (ligante) para a formação de uma molécula BeH 2, ele deve entrar em um estado excitado:

A formação da molécula BeH 2 ocorre devido à sobreposição dos orbitais de valência do átomo de Be

* cor vermelha indica elétrons de hidrogênio, preto - berílio.

O tipo de hibridização é determinado por quais orbitais se sobrepõem, portanto, a molécula BeH 2 está em hibridização sp.

Além de moléculas de composição AB n, o método de ligações de valência pode ser usado para determinar o tipo de hibridização de moléculas com ligações múltiplas. Considere o exemplo da molécula de etileno C2H4. Na molécula de etileno existe uma ligação dupla múltipla, que é formada por ligações e -. Para determinar a hibridização, anotamos as configurações eletrônicas e desenhamos as fórmulas gráficas eletrônicas dos átomos que compõem a molécula:

6 C 2s 2 2s 2 2p 2

O átomo de carbono tem mais um orbital p vago, portanto, para receber 4 átomos de hidrogênio, ele precisa entrar em um estado excitado:

Um orbital p é necessário para a formação de uma ligação (destacada em vermelho), uma vez que uma ligação é formada devido à sobreposição de orbitais p "puros" (não híbridos). O resto dos orbitais de valência entram em hibridização. Assim, o etileno está na hibridização sp 2.

Determinação da estrutura geométrica das moléculas

A estrutura geométrica das moléculas, bem como dos cátions e ânions de composição AB n, pode ser obtida pelo método de Gillespie. Este método é baseado em pares de valência de elétrons. A estrutura geométrica é influenciada não apenas pelos elétrons que participam da formação de uma ligação química, mas também por pares de elétrons isolados. Cada par de elétrons no método de Gillespie é denotado por E, o átomo central - A, ligante - B.

Se não houver pares de elétrons isolados, então a composição das moléculas pode ser AB 2 (estrutura linear da molécula), AB 3 (estrutura de triângulo plano), AB4 (estrutura tetraédrica), AB 5 (estrutura bipiramidal trigonal) e AB 6 (estrutura octaédrica). Os derivados podem ser obtidos de estruturas básicas se um par de elétrons solitário aparecer em vez de um ligante. Por exemplo: AB 3 E (estrutura piramidal), AB 2 E 2 (estrutura angular da molécula).

Para determinar a estrutura geométrica (estrutura) de uma molécula, é necessário determinar a composição da partícula, para a qual o número de pares de elétrons isolados (NPP) é calculado:

NEP \u003d (o número total de elétrons de valência - o número de elétrons usados \u200b\u200bpara formar uma ligação com ligantes) / 2

A ligação com H, Cl, Br, I, F leva 1 elétron de A, a ligação com O - 2 elétrons cada, e a ligação com N - 3 elétrons cada do átomo central.

Vamos considerar a molécula de BCl 3 como exemplo. O átomo central é B.

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

NEP \u003d (3-3) / 2 \u003d 0, portanto não há pares de elétrons isolados e a molécula tem a estrutura AB 3 - um triângulo achatado.

Os detalhes da estrutura geométrica das moléculas de diferentes composições são apresentados na tabela. 1

Tabela 1. Estrutura espacial das moléculas

Exemplos de resolução de problemas

EXEMPLO 1

No processo de determinação da forma geométrica de uma partícula química, é importante levar em consideração que os pares de elétrons de valência do átomo principal, incluindo aqueles que não formam uma ligação química, estão localizados a uma grande distância uns dos outros no espaço.

Características do termo

Considerando a questão das ligações químicas covalentes, eles frequentemente usam esse conceito como hibridização de orbitais atômicos. Este termo se refere ao alinhamento de forma e energia. A hibridização de orbitais atômicos está associada ao processo químico quântico de rearranjo. Os orbitais têm uma estrutura diferente em comparação com os átomos originais. A essência da hibridização reside no fato de que o elétron que está localizado próximo ao núcleo de um átomo ligado é determinado não por um orbital atômico específico, mas por sua combinação com um número quântico principal igual. Basicamente, esse processo diz respeito aos orbitais atômicos de energia mais alta e próxima que possuem elétrons.

Especificações do processo

Os tipos de hibridização de átomos em moléculas dependem de como ocorre a orientação dos novos orbitais. Pelo tipo de hibridização, é possível determinar a geometria de um íon ou de uma molécula, para sugerir as características das propriedades químicas.

Tipos de hibridização

Este tipo de hibridização, como sp, é uma estrutura linear, o ângulo entre as ligações é de 180 graus. Um exemplo de uma molécula com esta opção de hibridização é BeCl 2.

O próximo tipo de hibridização é sp 2. As moléculas são caracterizadas por uma forma triangular, o ângulo entre as ligações é de 120 graus. Um exemplo típico desta opção de hibridização é BCl 3.

O tipo de hibridização sp 3 assume uma estrutura tetraédrica da molécula; um exemplo típico de uma substância com esta opção de hibridização é a molécula de metano CH 4. O ângulo de ligação, neste caso, é de 109 graus 28 minutos.

Não apenas os pares de elétrons estão diretamente envolvidos na hibridização, mas também os pares de elétrons não separados.

Hibridização em uma molécula de água

Por exemplo, em uma molécula de água, existem duas ligações polares covalentes entre um átomo de oxigênio e átomos de hidrogênio. Além disso, o próprio átomo de oxigênio tem dois pares de elétrons externos que não participam da criação de uma ligação química. Esses 4 pares de elétrons no espaço ocupam um determinado lugar ao redor do átomo de oxigênio. Como todos têm a mesma carga, eles se repelem no espaço, as nuvens de elétrons estão a uma distância significativa umas das outras. O tipo de hibridização dos átomos em uma determinada substância envolve uma mudança na forma dos orbitais atômicos, eles são alongados e alinhados aos vértices do tetraedro. Como resultado, a molécula de água adquire uma forma angular, o ângulo de ligação entre as ligações oxigênio-hidrogênio é 104,5 o.

Para prever o tipo de hibridização, você pode usar o mecanismo doador-aceitador de formação de ligação química. Como resultado, os orbitais livres do elemento com menor eletronegatividade, bem como os orbitais do elemento com maior negatividade elétrica, nos quais um par de elétrons está localizado, são sobrepostos. No processo de elaboração da configuração eletrônica de um átomo, seu estado de oxidação é levado em consideração.

Regras para identificar o tipo de hibridização

A fim de determinar o tipo de hibridização de carbono, certas regras podem ser usadas:

• identificar o átomo central, calcular o número de ligações σ;
• colocar na partícula o estado de oxidação dos átomos;
• registrar a configuração eletrônica do átomo principal no estado de oxidação desejado;
• faça um diagrama da distribuição dos elétrons de valência sobre os orbitais por meio do emparelhamento dos elétrons;
• libere orbitais que estão diretamente envolvidos na formação de ligações, encontre elétrons desemparelhados (se o número de orbitais de valência for insuficiente para a hibridização, orbitais do próximo nível de energia são usados).

A geometria da molécula é determinada pelo tipo de hibridização. Não é afetado pela presença de ligações pi. No caso de ligação adicional, uma mudança no ângulo de ligação é possível; o motivo é a repulsão mútua de elétrons que formam uma ligação múltipla. Assim, na molécula de óxido de nitrogênio (4) com hibridização sp 2, o ângulo de ligação aumenta de 120 graus para 134 graus.

Hibridização na molécula de amônia

Um par não separado de elétrons afeta o expoente resultante do momento dipolar de toda a molécula. A amônia tem uma estrutura tetraédrica junto com um par não separado de elétrons. A ionicidade das ligações nitrogênio-hidrogênio e nitrogênio-flúor têm indicadores de 15 e 19 por cento, os comprimentos são determinados em 101 e 137 pm, respectivamente. Assim, a molécula de fluoreto de nitrogênio deveria ter um momento de dipolo maior, mas os resultados experimentais indicam o contrário.

Hibridação em compostos orgânicos

Cada classe de hidrocarbonetos tem seu próprio tipo de hibridização. Assim, quando moléculas da classe dos alcanos (hidrocarbonetos saturados) são formadas, todos os quatro elétrons do átomo de carbono formam orbitais híbridos. Quando eles se sobrepõem, 4 nuvens híbridas são formadas, crescendo até os vértices do tetraedro. Além disso, seus topos se sobrepõem a orbitais s não híbridos de hidrogênio, formando uma ligação simples. Para hidrocarbonetos saturados, a hibridização sp 3 é característica.

Em alquenos insaturados (etileno é um representante típico deles), apenas três orbitais de elétrons, se 2 p, participam da hibridização, três orbitais híbridos formam um triângulo no espaço. Os orbitais p não híbridos se sobrepõem, criando uma ligação múltipla na molécula. Esta classe de hidrocarbonetos orgânicos é caracterizada pelo estado sp 2 -híbrido do átomo de carbono.

Os alcinos diferem da classe anterior de hidrocarbonetos porque apenas dois tipos de orbitais estão envolvidos no processo de hibridização: s e p. Os dois elétrons p não híbridos restantes de cada átomo de carbono se sobrepõem em duas direções, formando duas ligações múltiplas. Esta classe de hidrocarbonetos é caracterizada pelo estado híbrido sp do átomo de carbono.

Conclusão

Ao determinar o tipo de hibridização em uma molécula, é possível explicar a estrutura de várias substâncias inorgânicas e orgânicas, para prever as possíveis propriedades químicas de uma determinada substância.