Hybridization ug Sigma ug Pi nga mga Bond: Mga Orbital Luyo sa Porma sa Molecule

Mga bond isip nag-overlap nga mga orbital

Gihulagway sa valence bond theory ang covalent bond isip duha ka electron nga adunay magkaatbang nga spin sa rehiyon diin nag-overlap ang mga orbital sa duha ka atomo. Ang overlap nagkonsentrar sa electron density tali sa mga nucleus, diin modani kini sa duha. Ang mas daghang overlap kasagarang nagpasabot og mas lig-on nga bond.

Ang overlap mahimong mahitabo sa duha ka paagi. Sa sigma (σ) nga bond, ang mga orbital magtagbo tumoy sa tumoy, ubay sa linya nga nagdugtong sa mga nucleus, busa ang electron density labing dako sa maong axis. Sa pi (π) nga bond, duha ka parallel nga p orbital ang mag-overlap kilid sa kilid, busa ang density anaa sa ibabaw ug ubos sa axis, nga adunay nodal plane nga naglangkob sa axis. Ang matag single bond usa ka σ nga bond.

Nganong ang 2s ug 2p nga mga orbital sa carbon kinahanglang magsagol

Ang mga valence orbital sa carbon mao ang usa ka 2s ug tulo ka 2p. Ang tulo ka p orbital nagtudlo ubay sa x, y ug z, sa 90° sa usag usa. Kung ang upat ka C–H nga bond sa methane direktang mogamit niini, tulo ka bond ang anaa sa 90° ug ang usa lahi. Hinuon, ang tanang upat ka bond sa CH₄ managsama ug 109.5° ang gilay-on.

Ang hybridization ang mosulbad niini. Ang matematikal nga pag-combine sa 2s nga orbital uban sa tanang tulo ka 2p nga orbital mohatag og upat ka managsama nga sp³ hybrid orbital nga nagtudlo sa mga eskina sa tetrahedron. Ang gidaghanon sa mga hybrid orbital kanunay patas sa gidaghanon sa mga atomic orbital nga gisagol. Ang matag sp³ nga orbital adunay usa ka dako nga lobe nga maayo nga mo-overlap sa 1s nga orbital sa hydrogen, mao nga ang mga hybrid orbital nagporma og lig-on nga σ nga mga bond.

Pag-assign sa hybridization gikan sa steric number

Ang hybridization mosunod gikan sa gidaghanon sa mga electron domain palibot sa atomo, ang steric number niini gikan sa VSEPR. Ang mga lone pair giihap isip mga domain, ug ang multiple bond giihap kausa. Kung nahibaloan na nimo ang steric number, pirmi na ang hybridization.

Ang mga lone pair nag-okupar usab og mga hybrid orbital ug nagduso sa mga bond nga magkaduol. Ang OpenStax Chemistry 2e (Section 8.2) naghatag og 107.3° alang sa H–N–H nga anggulo sa ammonia ug 104.5° alang sa H–O–H sa tubig, parehong sp³ nga adunay mga anggulo sa bond nga ubos sa ideal nga 109.5°.

• Steric number 2: sp, linear, 180°. Usa ka s ug usa ka p ang magsagol, nga mobilin og duha ka unhybridized nga p orbital. Ang matag sp nga orbital adunay 50% s character.
• Steric number 3: sp², trigonal planar, 120°. Usa ka s ug duha ka p ang magsagol, nga mobilin og usa ka p orbital nga perpendicular sa plane. 33% s character.
• Steric number 4: sp³, tetrahedral, 109.5°. Usa ka s ug tulo ka p ang magsagol, walay mabilin. 25% s character.
• Ang steric number 5 ug 6 kasagarang gi-label og sp³d ug sp³d², sama sa OpenStax. Tratara kini isip mga label sa geometry; tan-awa ang mga limitasyon sa ubos.

Double ug triple nga mga bond isip sigma dugang pi

Sa ethylene, H₂C=CH₂, ang matag carbon adunay tulo ka domain ug sp². Ang tulo ka sp² nga orbital nagporma og σ nga mga bond ngadto sa duha ka hydrogen ug sa laing carbon. Ang nahabilin nga mga p orbital sa duha ka carbon parallel ug mag-overlap kilid sa kilid aron maporma ang π nga bond. Busa ang double bond usa ka σ nga bond dugang usa ka π nga bond. Ang triple bond, sama sa acetylene, HC≡CH, usa ka σ nga bond dugang duha ka π nga bond, nga gihimo gikan sa duha ka pares sa unhybridized nga p orbital nga nag-right angle sa usag usa sa sp nga mga carbon.

Gipatin-aw sa π nga bond kung nganong ang mga double bond dili gawasnon nga motuyok. Ang pagtuyok sa usa ka tumoy og 90° maghimo sa mga p orbital nga perpendicular ug mobungkag sa π nga overlap. Mao nga ang cis-2-butene ug trans-2-butene lahi nga mga compound nga dili magkabaylo sa temperatura sa kwarto, samtang ang duha ka tumoy sa C–C nga single bond dali nga motuyok.

Nasulbad nga mga ehemplo: pag-ihap sa mga bond sa acrylonitrile ug aspirin

Aron ihapon ang σ ug π nga mga bond, idrowing ang kompleto nga Lewis structure, lakip ang matag hydrogen. Dayon ang matag linya sa bond mohatag og eksakto nga usa ka σ nga bond, ang matag double bond modugang og usa ka π nga bond, ug ang matag triple bond modugang og duha.

Nasulbad nga ehemplo 1. Acrylonitrile, H₂C=CH–C≡N, nga gigamit sa paghimo og acrylic nga mga lanot. σ nga mga bond: tulo ka C–H, usa sa C=C, usa sa C–C ug usa sa C≡N, kinatibuk-an 6. π nga mga bond: usa sa C=C ug duha sa C≡N, kinatibuk-an 3. Hybridization: ang duha ka carbon sa double bond adunay tulo ka domain ug sp²; ang nitrile nga carbon adunay duha ka domain ug sp; ang nitrogen, nga adunay usa ka bond domain ug usa ka lone pair, sp usab. Isip pagsusi, ang mga valence electron 3(4) + 3(1) + 5 = 20: ang 9 ka bond nagkupot og 18, ug ang lone pair sa nitrogen nagkupot sa laing 2.

Nasulbad nga ehemplo 2. Aspirin, C₉H₈O₄, gidrowing nga adunay nagpulipuli nga mga double bond sa benzene ring. σ nga mga bond: 6 ka C–C sa ring, 4 ka C–H sa ring, ug 4 sa carboxylic acid group dugang ang link niini sa ring (C–C sa ring, C=O, C–O ug O–H), ug 7 sa ester group (C–O sa ring, O–C, C=O, C–CH₃ ug tulo ka C–H). Kana mohatag og 6 + 4 + 4 + 7 = 21 ka σ nga bond. π nga mga bond: 3 sa ring ug 1 sa matag C=O, 5 sa kinatibuk-an. Pagsusi: ang aspirin adunay 21 ka atomo ug usa ka ring, ug ang bisan unsang konektado nga estruktura adunay (mga atomo − 1 + mga ring) nga σ nga mga bond, 21 − 1 + 1 = 21. Ang ihap sa electron motugma usab: ang 26 ka bond nagkupot og 52 ka electron, ang upat ka oxygen nagkupot og walo ka lone pair, o 16 ka electron, ug 9(4) + 8(1) + 4(6) = 68. Walo ka carbon ang sp²; ang methyl nga carbon lamang ang sp³.

Unsa ka lig-on ang pi nga bond kung itandi sa sigma nga bond?

Ang average nga mga bond energy sa OpenStax Chemistry 2e Table 7.3 nagpakita nga ang pagdugang og mga bond tali sa duha ka atomo mohatag og nagkagamay nga ganansya. Alang sa carbon–carbon nga mga bond: C–C, 1.54 Å ug 345 kJ/mol; C=C, 1.34 Å ug 611 kJ/mol; C≡C, 1.20 Å ug 837 kJ/mol.

Nasulbad nga ehemplo 3. Ang pagkuha (subtraction) mohatag og gibana-bana nga enerhiya alang sa matag gidugang nga π nga bond. Ang unang π nga bond modugang og 611 − 345 = 266 kJ/mol, ug ang ikaduha modugang og 837 − 611 = 226 kJ/mol. Ang duha mas gamay kaysa 345 kJ/mol sa C–C nga σ nga bond, tungod kay ang kilid-sa-kilid nga overlap mas huyang kaysa tumoy-sa-tumoy nga overlap. Ang double bond 1.77 ka pilo lamang ang kalig-on sa single bond, dili doble ang kalig-on. Ang mas huyang nga π nga bond mao ang bahin nga mabungkag sa mga addition reaction, mao nga ang mga alkene dali nga modugang og Br₂ ug HBr, ug H₂ kung adunay metal catalyst. Tratara kini nga mga kalainan isip mga banabana; ang average nga mga bond energy naghiusa sa mga bili gikan sa daghang lain-laing molecule.

Delocalized nga pi electron ug ang mga limitasyon sa hybrid orbital

Sa benzene, C₆H₆, ang matag carbon sp² ug adunay usa ka unhybridized nga p orbital nga perpendicular sa ring. Unom ka parallel nga p orbital ang mag-overlap sa tibuok palibot, busa ang unom ka π electron nagkatag sa tibuok ring imbes nga pirmi sa tulo ka double bond. Ang tanang unom ka C–C nga bond parehas og gitas-on, tali sa tipikal nga gitas-on sa single ug double bond.

Ang resonance naghan-ay pag-usab sa mga π electron ug lone pair, dili gayud sa mga σ nga bond, busa alang sa mga atomo sama sa mga carbon sa benzene ang bisan unsang balido nga estruktura mohatag sa parehas nga hybridization; tin-aw kini nga gipunting sa OpenStax alang sa benzene. Pag-amping sa atomo kansang lone pair mahimong π nga bond sa laing estruktura, sama sa nitrogen sa amide: ang ihap sa domain niini mausab tali sa mga estruktura, ug ang naobserbahan nga planar nga geometry niini nagpakita nga kini sp². Ang delocalization usa ka dapit diin ang valence bond theory mahimong alangan, ug ang molecular orbital theory mohatag og mas limpyo nga paghulagway.

Ang valence bond theory nagparis sa matag electron sa bond o lone pair, busa gitagna niini nga ang O₂ walay unpaired nga electron. Ang likido nga oxygen sa tinuod madani sa magnet, nga nagpakita nga ang O₂ adunay mga unpaired nga electron. Ang molecular orbital theory nagtukod og mga orbital nga iya sa tibuok molecule. Ang bond order mao ang katunga sa kalainan tali sa mga electron sa bonding ug antibonding nga mga orbital. Alang sa O₂, ang 12 ka valence electron mohatag og 8 bonding ug 4 antibonding, busa ang bond order (8 − 4)/2 = 2. Ang katapusang duha ka electron nag-okupar og duha ka bulag nga π* nga orbital nga adunay parallel nga mga spin, nga nagpatin-aw sa paramagnetism. Alang sa N₂, (8 − 2)/2 = 3, nga motugma sa triple bond niini.

Mga sayop sa hybridization ug unsaon pagsalo niini

Kadaghanan sa mga sayop naggikan sa paglaktaw sa Lewis structure o sa sayop nga pag-ihap sa mga domain. Ihap una ang mga σ nga bond ug lone pair sa atomo; ang hybridization mosunod gikan niana nga ihap lamang.

• Pag-ihap sa mga π nga bond sa steric number. Ang mga σ nga bond ug lone pair lamang ang giihap isip mga domain.
• Pagkalimot sa mga lone pair, nga maghimo sa nitrogen sa NH₃ nga morag sp² imbes nga sp³.
• Pag-ihap sa double bond isip duha ka σ nga bond. Ang matag double bond usa ka σ ug usa ka π.
• Pagbiya sa mga hydrogen kung mag-ihap og σ nga mga bond sa skeletal o condensed nga pormula.
• Pagtuo nga ang matag carbon nga adunay double bond sp². Ang sentral nga carbon sa CO₂, nga adunay duha ka double bond, adunay duha ka domain ug sp.
• Pagtuo nga ang resonance structure mousab sa hybridization sa atomo. Ang resonance nagbalhin sa mga π electron, dili sa mga σ nga bond.