Chimica: il mistero e la meraviglia degli orbitali ibridi

Il mistero e la meraviglia degli orbitali ibridi

Chimica

  • Legame e struttura in composti covalenti
  • I composti covalenti diventano misteriosi
  • Il mistero e la meraviglia degli orbitali ibridi
  • Disegnare strutture di Lewis Lewis
  • Strutture di risonanza
  • Teoria della repulsione della coppia di elettroni del guscio di valenza (VSEPR)

Affinché gli elettroni si diffondano a più di 90 l'uno dall'altro, dobbiamo trovare un nuovo modello che lo consenta.



Finora abbiamo appreso le forme e le energie relative degli orbitali s, p, d e f. Tuttavia, quando gli atomi formano composti covalenti, gli orbitali atomici sono insufficienti perché costringono gli atomi legati ad essere troppo vicini l'uno all'altro. Come ci si potrebbe aspettare, gli elettroni nei legami covalenti, come nel caso degli elettroni ovunque, preferiscono essere il più distanti possibile l'uno dall'altro perché si respingono. Successivamente, tutti gli orbitali all'interno di un atomo che contengono elettroni di valenza si combinano tra loro per formare 'orbitali ibridi'.

Probabilmente è più facile capire come funzionano gli orbitali ibridi mostrandoti un esempio. Diamo un'occhiata al diagramma di riempimento orbitale per gli elettroni di valenza sul carbonio (vedi The Modern Atom per ulteriori informazioni sui diagrammi di riempimento orbitale).

Figura 10.3Il diagramma di riempimento orbitale per gli elettroni di valenza sul carbonio.

foto del nord america

Come puoi vedere, dei quattro orbitali di valenza nel carbonio, uno è pieno (2s), due sono riempiti a metà (2p) e uno è completamente vuoto. Questa potrebbe essere la configurazione elettronica di un atomo di carbonio non legato, ma non spiega come il carbonio possa legarsi quattro volte per formare metano. Dopotutto, ogni legame covalente richiede la sovrapposizione di un orbitale contenente un elettrone da ciascun atomo. Se questo modello fosse valido, non avremmo alcun legame con l'orbitale s perché è già pieno, due legami (uno ciascuno da due orbitali p) e un orbitale p completamente vuoto. Di conseguenza, il carbonio potrebbe legarsi solo due volte, una conclusione che non corrisponde alla realtà.

Significati molecolari

orbitali ibridi si formano mescolando insieme due o più degli orbitali più esterni in un atomo. L'unico elemento che non forma orbitali ibridi è l'idrogeno, poiché ha un solo orbitale 1s.

Ciò che accade realmente quando il carbonio si lega in modo covalente con altri elementi è che questi quattro orbitali s e p dissimili si mescolano tra loro per formare quattro orbitali ibridati identici. I nomi di questi nuovi orbitali ibridati sono una combinazione dei nomi dei quattro orbitali atomici originali. Nel nostro esempio, un orbitale s si combina con tre orbitali p per formare quattro sp3orbitali:

1/4 tazza = cucchiai

Figura 10.4 Quando gli orbitali si combinano per formare orbitali ibridi, viene calcolata la media sia delle loro forme che delle loro energie.

Come puoi vedere da questo diagramma, la configurazione orbitale ibridata del carbonio lascia spazio a quattro legami covalenti, che si abbinano bene con i quattro atomi di idrogeno legati in modo covalente nel metano.

Come accennato in The Modern Atom , gli orbitali s sono sferici e gli orbitali p hanno angoli di 90 gradi l'uno rispetto all'altro. Di conseguenza, gli orbitali sp3 che si formano quando un orbitale s e tre orbitali p si combinano saranno disposti con un angolo che riflette una miscela tra questi due tipi di orbitali (in questo caso, 109,5):

Il numero di orbitali ibridi che si formano quando una molecola covalente si lega dipende dal numero di singoli legami e coppie di elettroni non legati (coppie solitarie o coppie di elettroni non condivise) presenti nella molecola. Gli elettroni sia nei singoli legami che nelle coppie non legate esistono all'interno di orbitali ibridi.

Gli elettroni in più legami esistono all'interno di qualcosa chiamato 'orbitale ?' che si forma quando un orbitale p non ibridato di un atomo si sovrappone a un orbitale p non ibridato di un altro atomo. Vediamo come funziona in ossigeno, O2.

tribù perdute di Israele nero
La talpa dice

Gli elettroni sugli atomi non legati si trovano negli orbitali s, p, d e f. Gli elettroni negli atomi che hanno formato composti covalenti esistono all'interno di orbitali ibridi.

Ogni atomo di ossigeno in O2ha due coppie solitarie di elettroni e un doppio legame con l'altro atomo di ossigeno. Il primo dei due legami tra i due atomi di ossigeno richiede orbitali ibridi (perché tutti i singoli legami richiedono orbitali ibridi), ma il secondo utilizza l'orbitale p di riserva in entrambi gli atomi. Di conseguenza, un orbitale s si mescola con due orbitali p per formare tre sp2orbitali.

Diamo un'occhiata a come appaiono gli orbitali su ciascun atomo di ossigeno.

Figura 10.7Le tre sp2gli orbitali, che contengono la coppia solitaria di elettroni e gli elettroni condivisi in singoli legami, si allontanano il più possibile l'uno dall'altro, a 120 angoli. Gli orbitali p su ciascun atomo di ossigeno (non mostrato) si sovrappongono per formare il doppio legame.

I tre sp2gli orbitali si estendono il più lontano possibile l'uno dall'altro a causa della repulsione elettronica. Gli orbitali p, responsabili del doppio legame, si sovrappongono sia sopra che sotto il legame.

La tabella seguente illustra ogni tipo di orbitale ibrido che esiste comunemente nei composti covalenti, nonché il nome e gli angoli di legame di ciascun orbitale e i nomi di ciascuna forma molecolare.

Orbitali sovrapposti non ibridati Nome dell'orbitale ibrido Angolo di legame Forma molecolare
1s, 1p NS 180 lineare
1s, 2p NS2 120 trigonale planare
1s, 3p NS3 109,5 tetraedrico
1d, 1s, 3p dsp3 90, 120 trigonale bipiramidale
2d, 1s, 3p D2NS3 90 ottaedrico

In termini comuni, i singoli legami covalenti tra due atomi sono indicati come 'legami sigma' o ? obbligazioni. Questi legami sigma sono creati dalla sovrapposizione di due orbitali ibridi. Ogni legame multiplo viene indicato come 'obbligazione pi' o 'obbligazione'. I legami Pi sono creati dalla sovrapposizione di orbitali p non ibridati. Usando la tabella precedente, ogni atomo nell'atomo ibridato sp sopra ha due ? obbligazioni e due ?obbligazioni.

Tratto da The Complete Idiot's Guide to Chemistry 2003 di Ian Guch. Tutti i diritti riservati compreso il diritto di riproduzione in tutto o in parte in qualsiasi forma. Usato previo accordo con Alpha Books , un membro del Penguin Group (USA) Inc.

classificare gli stati per popolazione

Per ordinare questo libro direttamente dall'editore, visita il sito web di Penguin USA o chiama il numero 1-800-253-6476. Puoi anche acquistare questo libro su Amazon.com e Barnes & Noble .