خلاصه (TL;DR) هیبریداسیون یا همپوشانی اوربیتال‌ها برای تشکیل اوربیتال‌های ترکیبی جدید، بخش گمشده ارزشمندی از درک پیوند کووالانسی است. این اوربیتال‌های ترکیبی همان چیزی هستند که به اتم‌ها اجازه می‌دهند حداکثر پیوند کووالانسی را تشکیل دهند – چیزی که درک محدود کنونی ما از الکترون‌های ظرفیت ارائه نمی‌کند. – اوربیتال sp3
تصویر توسط Cdang از طریق ویکی مدیا
دانشمندان زوایای و هندسه های دقیق بین اتم ها را از طریق مشاهده و آزمایش تعیین کرده اند. اما، مثل همیشه، وقتی اراده ای برای بررسی چیزی به نتیجه خاص آن وجود دارد، همیشه یک فرض وجود دارد که آن را هدایت می کند. بنابراین، با توجه به درک ما مبنی بر اینکه اتم‌ها برای کاهش انرژی خود به یکدیگر متصل می‌شوند، اتم‌ها از الکترون‌های ظرفیت خود برای این کار استفاده می‌کنند، و زمانی که این کار را انجام می‌دهند، شکل‌های مختلفی به خود می‌گیرند، اقدام بعدی بازگشت به عقب است. چه نظریه (یا نظریه هایی) این رفتار را توضیح می دهد؟
در پایان بخش آخر به رابطه بین اوربیتال ها و هندسه مولکولی اشاره کردم. و معلوم می شود که این ارتباط، مانند بسیاری از چیزهایی که از اینجا به بعد خواهید دید، بر اساس علمی است که قبلاً پوشش داده ایم. یک صندلی بگیرید: این یکی خیلی باحال است.
هیبریداسیون
اوربیتال ها را به خاطر دارید؟ چیزهایی که ما یاد گرفتیم از این چهار عدد کوانتومی تشکیل شده است؟ به طور خلاصه: عدد کوانتومی اصلی (n) نشان‌دهنده “پوسته” الکترون یا سطح انرژی هر الکترون معین است، عدد کوانتومی مداری (l) این پوسته‌ها را به زیر پوسته‌های کوچک‌تر تقسیم می‌کند، عدد کوانتومی مغناطیسی (m) به ما می‌گوید. تعداد راه هایی که زیر پوسته ها می توانند خود را در پوسته جهت دهی کنند و اعداد کوانتومی اسپین تکانه الکترون یا “اسپین”.
هر چهار این اعداد با هم جمع می‌شوند تا درک درستی از مسیرهایی که الکترون‌ها می‌توانند در هر اتم طی کنند، که شکل‌های خاصی به خود می‌گیرند، به دست می‌دهند.
تصویر از طریق LibreTexts شیمی
اوربیتال ها
اما وقتی اتم ها به هم پیوند می خورند چه اتفاقی برای این اوربیتال ها می افتد؟ آیا شکل آنها تغییر می کند؟ آیا آنها ناپدید می شوند و مداری کاملاً متفاوت را تشکیل می دهند؟
نه، به نظر می رسد که آنها همانطور که هستند می مانند، اما روی یکدیگر همپوشانی دارند تا ترکیبی منحصر به فرد از اوربیتال ها ایجاد کنند. ما به این فرآیند می گوییم هیبریداسیون.
تا اینجا پیوند با الکترون های ظرفیت را توضیح دادیم. اما هیبریداسیون راه دیگری برای توضیح پیوند کووالانسی به ما می دهد – به عنوان تابعی از همپوشانی اوربیتال ها. با این حال، از آنجایی که هیبریداسیون عمیق‌تر از چارچوب ما مبتنی بر الکترون‌های ظرفیت است، می‌توانیم از آن برای توضیح موارد زیر استفاده کنیم: (1) هندسه جفت الکترون و (2) «پیوند کووالانسی» در واقع چیست.
برای درک مفهومی اینکه هیبریداسیون چگونه به نظر می رسد، باید دوباره نمودار مداری را بررسی کنیم، ابزاری آشنا که برای اولین بار در هنگام بحث از آن استفاده کردیم. قوانین هوند.
دولت اصلی
قبل از اینکه به چگونگی کمک نمودارهای مداری به توضیح هیبریداسیون کمک کنیم، می‌خواهم دو کمان آخر را در چند جمله خلاصه کنم (بله، واقعاً).
اتم ها تمایل دارند سطح انرژی خود را پایین بیاورند تا در پایدارترین حالت خود قرار گیرند. برای انجام این کار، الکترون‌های اتم اوربیتال‌ها را اشغال می‌کنند، نواحی خاصی در اتم که انرژی را پایین نگه می‌دارند (زیرا انرژی در اتم افزایش می‌یابد که الکترون‌ها به یکدیگر نزدیک‌تر هستند). اتم‌هایی با الکترون‌هایی که در اوربیتال‌هایشان سازماندهی شده‌اند، در آنها قرار دارند شرط اساسییا پایدارترین سطح انرژی آنها.
نمودارهای مداری نحوه چیدمان این الکترون ها را نشان می دهد. در آخرین ستون تصویر بالا اعداد، حروف، کادرها و فلش ها را می بینیم. هر عدد (1 یا 2، در این مورد) نشان دهنده یک پوسته الکترونی (عدد کوانتومی اصلی)، حرف کنار عدد (s یا p) نشان دهنده پوسته های فرعی (عدد کوانتومی مداری)، هر مربع نشان دهنده یک اوربیتال جداگانه و هر فلش است. یکی از دو اسپین الکترونیکی (اعداد کوانتومی چرخشی) را نشان می دهد.
اتم هایی که دارای نمودارهای کامل مداری هستند، جایی که هر اوربیتال با دو فلش مخالف پر شده است، به عنوان گازهای نجیب شناخته می شوند (مانند نئون – در تصویر بالا)، پایدارترین اتم هایی که در طبیعت وجود دارند. اما آنهایی که این کار را نمی کنند می توانند با اتم های دیگر پیوند ایجاد کنند، که انرژی اتم های پیوند خورده را حتی پایین تر از حالت پایه جداگانه آنها می برد و اغلب مولکولی را می سازد که به اندازه یک گاز نجیب پایدار است.
پیوندها زمانی اتفاق می‌افتند که اتم‌هایی با الکترون‌های ظرفیت انرژی منفی، الکترون‌هایی که در بیرونی‌ترین اوربیتال‌ها هستند، مثبت را «احساس» کنند. شارژ موثر از هسته اتم دیگر این بار، ناشی از تعداد پروتون‌های هسته که از درونی‌ترین الکترون‌های «هسته» کم می‌شود، الکترون‌های ظرفیت بین دو اتم را جذب می‌کند و هر دو را به هم پیوند می‌دهد. ما این پیوند را “کووالانسی” می نامیم (هم به معنای “مفصل”؛ -valent که به “ظرفیت” اشاره دارد).
مسئله «الکترون»
با این خلاصه ما برای چیزهای جدید آماده ایم. چیزی که ممکن است برای آن آماده نباشید آچاری است که در دستگاه علمی زیبای ما گیر کرده است.
بیایید به یک مولکول ساده متان و به طور خاص اتم مرکزی آن – کربن نگاه کنیم.
برای ایجاد پیوند کووالانسی، هر اتم درگیر باید یکی از الکترون های ظرفیت خود را با اتم دیگر “به اشتراک بگذارد”. به عبارت دیگر، کربن باید یک الکترون در بیرونی ترین اوربیتال های خود داشته باشد. اوربیتال های 1s و 2s کربن به طور کامل پر شده اند. آخرین مدار زیر پوسته 2p آن (2pz اوربیتال) هیچ الکترونی در خود ندارد، بنابراین هیچ الکترونی برای اشتراک گذاری از آن زیر پوسته وجود ندارد. اما در دو اوربیتال p دیگر، کربن یک الکترون آزاد دارد، به این معنی که می تواند دو پیوند کووالانسی ایجاد کند.
اما صبر کن فقط دوتا؟
در متان، کربن به آن پیوند دارد چهار اتم ها و تبدیل شدن به گاز نجیب آن نیاز دارد چهار الکترون
این با درک ما مطابقت ندارد. چگونه هر اتمی می‌تواند به ثباتی برابر با گازهای نجیب دست یابد، اگر الکترون‌های کمتری برای پیوند کووالانسی نسبت به نیاز آنها برای تکمیل لایه بیرونی‌شان وجود داشته باشد؟
حالا ما کلید را داریم. هیبریداسیون.
حالت هیجان زده
درست قبل از وقوع پیوند کووالانسی، انرژی اتم افزایش می‌یابد و از حالت پایه به حالت برانگیخته می‌رود. وقتی اتم‌ها برانگیخته می‌شوند، بیرونی‌ترین اوربیتال‌های آن ترکیب می‌شوند تا اوربیتال‌های هیبریدی جدیدی را که برای پیوند کووالانسی مناسب‌تر هستند، تشکیل دهند.
* قانون هیبریداسیون اوربیتال های 2s و 2p با هم ترکیب می شوند زیرا از نظر انرژی به یکدیگر نزدیک ترند. فقط زیر پوسته هایی که انرژی های مشابهی دارند می توانند هیبرید شوند. برای مثال اوربیتال های 1s و 2p نمی توانند هیبرید شوند.
در مورد کربن، بیرونی ترین اوربیتال های آن در زیر پوسته های 2s و 2p قرار دارند. یک اوربیتال “s” و سه اوربیتال “p” با هم ترکیب می شوند و چهار اسپ هیبریدی را تشکیل می دهند
3
اوربیتال هایی که از نظر انرژی برابر هستند.* برابری انرژی مهم است – اگر اوربیتال های هیبریدی انرژی برابر نداشته باشند، این بر توانایی آنها برای تشکیل پیوندهای قوی تأثیر می گذارد.
چهار الکترون از لایه های فرعی 2s و 2p حالت پایه کربن هنوز وجود دارند. اکنون آنها بخشی از اوربیتال های هیبریدی جدید هستند. با این حال، ما باید آنها را به درستی سازماندهی کنیم قانون دوم هوند. این قانون توضیح می‌دهد که قبل از اینکه آن لایه‌های فرعی را با اسپین مخالف آن پر کنیم، هر اوربیتال را با یک اسپین الکترون پر می‌کنیم. بنابراین، چهار sp3
اوربیتال ها هر کدام یک الکترون برای کار کردن دارند.
تصویر توسط جودی سو از طریق بنیاد CK-12
اشکال منحصر به فرد اوربیتال های sp3.
با یک الکترون در هر یک از چهار sp3 اوربیتال ها، احتمال چهار پیوند کووالانسی وجود دارد – دقیقاً همان چیزی که کربن به آن نیاز دارد.
اکنون که هیبریداسیون کربن را درک می کنیم، چگونه چهار اتم هیدروژن متان را اضافه کنیم؟
*اوربیتال های sp و sp2 فراتر از اوربیتال‌های هیبریدی sp3 که هندسه جفت الکترون چهاروجهی را نشان می‌دهند، اوربیتال‌های هیبریدی sp2 و sp وجود دارند که به ترتیب هندسه‌های مسطح سه‌ضلعی و خطی جفت الکترون را نشان می‌دهند.
هر یک از چهار اتم هیدروژن به این کربن هیبرید شده پیوند می خورند و اوربیتال های 1s خود را با هر یک از چهار sp کربن همپوشانی می کنند.3 اوربیتال ها، ایجاد آلکان پایدار. اما موهبت دیگری وجود دارد که هیبریداسیون به ما می دهد – کاربرد نظریه VSEPR. چرا هر اتم در متان دقیقاً با فاصله 109.5 درجه از هم مرتب می شود؟ از آنجایی که sp3 اوربیتال به شکل چهار وجهی* است. به طور خاص، هر “لوب” از sp هیبرید3 اوربیتال ها با زوایای 109.5 درجه از هم جدا می شوند تا از دافعه الکترون جلوگیری شود. بنابراین، هنگامی که اوربیتال های 1s با این لوب ها همپوشانی دارند، کل مولکول شکل sp را به خود می گیرد.3 مداری (زیبا.)
اوربیتال های همپوشانی
زوج های تنها
هیبریداسیون همچنین توضیح می دهد که چرا اتم های خاص دارای جفت های تنها هستند. برای مثال نیتروژن را در نظر بگیرید. نیتروژن دارای پیکربندی الکترونی است [He]2 ثانیه22 تن3، فقط یک الکترون بیشتر از کربن. مانند کربن، آن نیز به شکل sp3 اوربیتال‌های ترکیبی (از اوربیتال‌های 2s و 2p چون انرژی نزدیکی دارند)، با این تفاوت که در یکی از اوربیتال‌هایش الکترون دیگری خواهد داشت.
این الکترون اضافی، اگرچه ناچیز به نظر می رسد، اما به دلیل موقعیتش در بیرونی ترین اوربیتال ها مهم است. همانطور که می دانیم، فقط الکترون های موجود در اوربیتال های بیرونی برای پیوند استفاده می شوند. از آنجایی که می‌دانیم اوربیتال‌های دارای یک اسپین الکترون برای پیوند کووالانسی استفاده می‌شوند، همه اوربیتال‌های دارای دو الکترون به صورت جفت تنها نشان داده می‌شوند!
چند تا اوراق قرضه؟
اگرچه ما درک می کنیم که چگونه پیوندهای کووالانسی رخ می دهند، هنوز کمی بیشتر برای هیبریداسیون وجود دارد. از یک سو، هیبریداسیون یک پدیده ثابت نیست. اگرچه من هیبریداسیون کربن و نیتروژن را نشان داده ام، اینطور نیست فقط راه هایی که این اتم ها (یا هر اتم) هیبرید می شوند. این انعطاف‌پذیری در ایجاد اوربیتال‌های ترکیبی نه تنها چگونگی تشکیل پیوندها را توضیح می‌دهد، بلکه چگونگی تشکیل پیوندها را نیز توضیح می‌دهد، چه یک، دو یا سه. بحث بیشتری در مورد هیبریداسیون وجود دارد. روی خط بمانید.
فراموش نکنید که در FluxSci’s ثبت نام کنید لیست پستی برای دیدن این پست هنگامی که هفته آینده پخش می شود.
ادامه مطلب دستورالعمل CDC چگونه از خود در طول همه گیری COVID-19 فعلی محافظت کنید.
برای مطالب بیشتر تامل برانگیز، به ما بپیوندید لیست پستی!
برنامه های Flux برای سال 2020 را ببینید اینجا!
