Hybrydyzacja

Chemia ogólna, Wiązania chemiczne

1. Hybrydyzacja

Hybrydyzację starałem się wytłumaczyć w poprzednim poście, jednak z uwagą, że to tak naprawdę temat dodatkowy. Dziś podejdę do tematu jak prawdziwy nauczyciel, a więc skupimy się tylko na poprawnym rozwiązywaniu zadań maturalnych używając jakichś metod, których trzeba się po prostu nauczyć^[1].

Hybrydyzacja − polega na mieszaniu się orbitali ze sobą. Takie zhybrydyzowane orbitale będą lepiej się ze sobą nakładać, w efekcie czego wiązanie, które się utworzy będzie bardziej efektywne.
Prosta (uproszczona^[2]) definicja hybrydyzacji.

Przypomnę tylko, że wiązanie chemiczne to było nałożenie się na siebie dwóch orbitali. Przypomnijmy to sobie na cząsteczce wodoru, gdzie orbital 1s atomu wodoru, nakładał się z drugim takim orbitalem 1s, w efekcie czego powstało wiązanie! Zwróć uwagę, że na rysunku mamy właśnie taką ,,rozmytą chmurę” wokół jądra, która symbolizuje orbital.

Wiązanie chemiczne to w rzeczywistości nałożenie się na siebie dwóch orbitali.

I teraz tak, to nakładanie orbitali można porównać do przytulania. Powyżej widzieliśmy przytulanie się do siebie dwóch kul (orbitali s), a oczywiście przytulania nikomu nie zabronimy, wiec do zabawy chciałyby dołączyć orbitale p. Jako, że orbitale p są ułożone w przestrzeni pod kątem 90 stopni względem siebie, to one akurat mogą się do siebie przytulić na dwa sposoby :

This image has an empty alt attribute; its file name is image-69.png

This image has an empty alt attribute; its file name is image-71.png — Widzisz tutaj, że orbitale p są pod kątem 90 stopni względem siebie?

Idąc dalej analogią przytulania, powyższe dwa rysunki możemy zobrazować w taki sposób :

Przytulanie boczne (po lewej) oraz czołowe (po prawej).

My wiemy, że takie przytulanie czołowe jest po prostu mocniejsze (bo przytulamy się całym ciałem) niż boczne (gdzie tylko część ciała się ze sobą styka). Do czego zmierzam? To jaki mamy kształt orbitalu i jak one się względem siebie ułożą wpływa na moc wiązania. I teraz… tak, teraz wkracza hybrydyzacja!

Hybrydyzacja pozwoli nam na wymieszanie orbitali s oraz p, w wyniku czego powstanie orbital zhybrydyzowany o innym kształcie, co umożliwi jeszcze lepsze nałożenie orbitali na siebie, a w efekcie lepsze wiązanie. Inaczej mówiąc, będziemy mieć jeszcze lepsze przytulenie.

Takie teraz będzie przytulenie dzięki hybrydyzacji!

2. Po co jest hybrydyzacja

My już potrafimy odpowiedzieć na to pytanie. Po to, żeby stworzyć lepsze wiązania, żeby atomom jeszcze bardziej opłacało się ze sobą łączyć tworząc cząsteczkę chemiczną! Poniżej mamy porównanie tworzenia wiązania (czyli nakładania orbitali) orbitali p, które są zwykłe (nie uległy hybrydyzacji) oraz już zhybrydyzowanych. Sam widzisz, gdzie to powstałe wiązanie jest bardziej efektywne.

Porównanie nakładania orbitali p przed oraz po hybrydyzacji.

3. Jak szybko ustalić^[³^] hybrydyzację ?

Ogólnie to jest tak, że hybrydyzacja to proces matematyczny i w dodatku tak skomplikowany, że nie ma szans tego ogarnąć. Dlatego też wymyślono szybką metodę do jej oceny, a zatem domyślamy się, że jest ona w jakiś sposób uproszczona, a zatem będą od niej wyjątki. Ale spokojnie, od razu dobra wiadomość dla Ciebie. W liceum tych wyjątków nie będzie!

Hybrydyzację atomu przypisujemy poprzez policzenie ilości wiązań sigma oraz wolnych par elektronowych na tym atomie. Hybrydyzację przypisuje się raczej tylko atomom centralnym.
Jak szybko ustalić hybrydyzację?

Szybkie przypomnienie na temat wiązań sigma oraz pi. Będziemy o tym później mówić jeszcze w chemii organicznej, kiedy zajmiemy się alkenami i alkinami, a tutaj rysunek, z tym, co teraz dla nas ważne.

W **wiązaniu podwójnym** mamy jedno wiązanie sigma i jedno pi, natomiast **wiązanie potrójne** tak naprawdę składa się z jednego wiązania sigma oraz dwóch pi.

Jeśli już policzymy tą sumę, to mamy hybrydyzację, wystarczy zerknąć do tabelki poniżej.

Suma (wiązania sigma + wolne pary)	2	3	4
Hybrydyzacja	sp	sp²	sp³

Zwróć uwagę, że każda suma to jakby suma literek. Na przykład hybrydyzacja sp² to jedno s oraz dwa p.

Czas na ćwiczenia. Poniżej znajdzie się parę cząsteczek, zarówno organicznych jak i nieorganicznych z przypisaną hybrydyzacją dla wybranych atomów. Pozwoliłem sobie na używanie skrótów, każdą sumę obliczam jako np. 1 𝜎 + 2 w.p = 3 , co oznacza, że mamy jedno wiązanie sigma oraz dwie wolne pary elektronowe.

Szybka metoda przypisywania hybrydyzacji − ćwiczenia.

4. Hybrydyzacja jest powiązana z budową cząsteczki

Myślę, że wstawienie tutaj tabelki z podsumowaniem to będzie złoto. Szczególną uwagę należy zwrócić na bardzo częste, błędne przekonanie, że mając hybrydyzację od razu mamy ustaloną budowę!

Hybrydyzacja podsumowana w tabeli wraz z budową cząsteczki. Ustalona hybrydyzacja została dla zaznaczonego na czerwono atomu centralnego.

Najczęstszy maturalny błąd − jak jest hybrydyzacja sp³ to automatycznie przypisujecie budowę tetraedryczną. A przecież z podsumowania widać, że może to być także budowa kątowa czy piramida trygonalna.

^[1] Tak wygląda szkolna rzeczywistość. I o ile misją tej strony jest walka z tą szkolną przeciętnością, tak zdaję sobie sprawę, że będą tu zaglądać także osoby, które chcą jedynie zdać sprawdzian/kartkówkę. I tak samo jak mnie nie interesował wos czy geografia, tak nie każdego będzie interesowała chemia, dlatego wrzucam osobny post, z samym soczystym mięsem, a więc jak rozwiązywać zadania z hybrydyzacją.

^[2]Hybrydyzacja jest tak naprawdę działaniem matematycznym, a nie tam żadnym mieszaniem orbitali, bo sam orbital przecież jak być może pamiętasz (orbital, czyli opis elektronu na sterydach), nie ma znaczenia fizycznego. Teraz jednak robimy szybki post, który ma Cię tylko nauczyć robienia zadań, ale musisz chociaż cokolwiek wiedzieć o tej hybrydyzacji.

^[3] Z hybrydyzacją jest dokładnie tak samo jak ze stopniami utlenienia. One nie mają sensu fizycznego, więc nie można powiedzieć, że stopnie utlenienia czy hybrydyzację się na przykład oblicza, tylko przypisuje.