Hibridiú agus Bannaí Sigma agus Pi: Na Fithiseáin taobh thiar de Chruth Móilíneach

Bannaí mar fhithiseáin fhorluiteacha

Déanann teoiric an bhanna vailinse cur síos ar bhanna comhfhiúsach mar dhá leictreon le casadh contrártha i réigiún ina bhforluíonn fithiseáin ar dhá adamh. Comhchruinníonn an forluí dlús leictreon idir na núicléis, áit a meallann sé an dá cheann. De ghnáth, ciallaíonn níos mó forluí banna níos láidre.

Is féidir le forluí tarlú ar dhá bhealach. I mbanna sigma (σ), buaileann na fithiseáin le chéile ceann le ceann, feadh na líne a nascann na núicléis, mar sin is ar an ais sin is mó atá an dlús leictreon. I mbanna pi (π), forluíonn dhá fhithiseán p comhthreomhara taobh le taobh, mar sin luíonn an dlús os cionn agus faoi bhun na haise, le plána nódach ina bhfuil an ais. Is banna σ é gach banna aonair.

Cén fáth ar gá d'fhithiseáin 2s agus 2p an charbóin meascadh

Is iad fithiseáin vailinse an charbóin fithiseán 2s amháin agus trí fhithiseán 2p. Díríonn an trí fhithiseán p feadh x, y agus z, ag 90° óna chéile. Dá n-úsáidfeadh ceithre bhanna C–H meatáin iad go díreach, bheadh trí bhanna ag 90° agus bheadh ceann amháin difriúil. Ina ionad sin, tá na ceithre bhanna in CH₄ comhionann agus 109.5° óna chéile.

Réitíonn hibridiú é seo. Má chomhcheanglaítear go matamaiticiúil an fithiseán 2s leis na trí fhithiseán 2p go léir, faightear ceithre fhithiseán hibrideacha sp³ coibhéiseacha atá dírithe ar choirnéil teitrihéadráin. Bíonn líon na bhfithiseán hibrideach cothrom i gcónaí le líon na bhfithiseán adamhach a mheasctar. Tá loba mór amháin ag gach fithiseán sp³ a fhorluíonn go maith le fithiseán 1s hidrigine, agus sin é an fáth a bhfoirmíonn fithiseáin hibrideacha bannaí σ láidre.

Hibridiú a shannadh ón uimhir steiriceach

Leanann hibridiú ó líon na bhfearann leictreon timpeall ar adamh, a uimhir steiriceach ó VSEPR. Comhairtear péirí aonair mar fhearainn, agus comhairtear ilbhanna uair amháin. Nuair atá an uimhir steiriceach ar eolas agat, tá an hibridiú socraithe.

Áitíonn péirí aonair fithiseáin hibrideacha freisin agus brúnn siad na bannaí níos gaire dá chéile. Tugann OpenStax Chemistry 2e (Roinn 8.2) 107.3° don uillinn H–N–H in amóinia agus 104.5° do H–O–H in uisce, iad araon sp³ le huillinneacha bannaí faoi bhun an 109.5° idéalaigh.

• Uimhir steiriceach 2: sp, líneach, 180°. Meascann s amháin agus p amháin, rud a fhágann dhá fhithiseán p neamhhibridithe. Tá carachtar s 50% ag gach fithiseán sp.
• Uimhir steiriceach 3: sp², pleanach triantánach, 120°. Meascann s amháin agus dhá p, rud a fhágann fithiseán p amháin ingearach leis an bplána. Carachtar s 33%.
• Uimhir steiriceach 4: sp³, ceathairchodach, 109.5°. Meascann s amháin agus trí p, gan aon cheann a fhágáil. Carachtar s 25%.
• Is minic a lipéadaítear uimhreacha steiriceacha 5 agus 6 mar sp³d agus sp³d², mar a dhéanann OpenStax. Láimhseáil iad seo mar lipéid gheoiméadrachta; féach na teorainneacha thíos.

Bannaí dúbailte agus triaracha mar sigma móide pi

In eitiléin, H₂C=CH₂, tá trí fhearann ag gach carbón agus is sp² é. Foirmíonn an trí fhithiseán sp² bannaí σ le dhá hidrigin agus leis an gcarbón eile. Tá na fithiseáin p atá fágtha ar an dá charbón comhthreomhar agus forluíonn siad taobh le taobh chun banna π a fhoirmiú. Is ionann banna dúbailte, mar sin, agus banna σ amháin móide banna π amháin. Is ionann banna triarach, mar atá in aicéitiléin, HC≡CH, agus banna σ amháin móide dhá bhanna π, déanta as dhá phéire fithiseán p neamhhibridithe ar dronuillinn lena chéile ar charbóin sp.

Míníonn an banna π cén fáth nach rothlaíonn bannaí dúbailte go saor. Dá gcasfaí ceann amháin faoi 90°, bheadh na fithiseáin p ingearach agus bhrisfí an forluí π. Sin é an fáth gur comhdhúile difriúla iad cis-2-bútéin agus trans-2-bútéin nach n-idirthiontaíonn ag teocht an tseomra, agus rothlaíonn dhá cheann banna aonair C–C go héasca.

Samplaí oibrithe: bannaí a chomhaireamh in aicrilinítríl agus in aspairín

Chun bannaí σ agus π a chomhaireamh, tarraing struchtúr Lewis iomlán, gach hidrigin san áireamh. Ansin cuireann gach líne banna banna σ amháin go beacht leis, cuireann gach banna dúbailte banna π amháin leis, agus cuireann gach banna triarach dhá cheann leis.

Sampla oibrithe 1. Aicrilinítríl, H₂C=CH–C≡N, a úsáidtear chun snáithíní aicrileacha a dhéanamh. Bannaí σ: trí C–H, ceann amháin in C=C, ceann amháin in C–C agus ceann amháin in C≡N, 6 san iomlán. Bannaí π: ceann amháin in C=C agus dhá cheann in C≡N, 3 san iomlán. Hibridiú: tá trí fhearann ag an dá charbón sa bhanna dúbailte agus is sp² iad; tá dhá fhearann ag carbón an nítríl agus is sp é; is sp í an nítrigin freisin, le fearann banna amháin agus péire aonair amháin. Mar sheiceáil, is é líon na leictreon vailinse 3(4) + 3(1) + 5 = 20: coinníonn 9 mbanna 18 gcinn, agus coinníonn péire aonair na nítrigine an 2 eile.

Sampla oibrithe 2. Aspairín, C₉H₈O₄, tarraingthe le bannaí dúbailte ailtéarnacha san fháinne beinséine. Bannaí σ: 6 C–C san fháinne, 4 C–H fáinne, agus 4 sa ghrúpa aigéid charbocsailigh móide a nasc leis an bhfáinne (C–C fáinne, C=O, C–O agus O–H), agus 7 sa ghrúpa eistir (C–O fáinne, O–C, C=O, C–CH₃ agus trí C–H). Tugann sé sin 6 + 4 + 4 + 7 = 21 banna σ. Bannaí π: 3 san fháinne agus 1 i ngach C=O, 5 san iomlán. Seiceáil: tá 21 adamh agus fáinne amháin in aspairín, agus tá (adaimh − 1 + fáinní) banna σ ag aon struchtúr nasctha, 21 − 1 + 1 = 21. Oibríonn comhaireamh na leictreon freisin: coinníonn 26 banna 52 leictreon, coinníonn na ceithre ocsaigin ocht bpéire aonair, nó 16 leictreon, agus 9(4) + 8(1) + 4(6) = 68. Is sp² iad ocht gcarbón; níl ach carbón an mheitile sp³.

Cé chomh láidir is atá banna pi i gcomparáid le banna sigma?

Léiríonn meánfhuinnimh bhannaí i dTábla 7.3 OpenStax Chemistry 2e go dtugann bannaí breise idir dhá adamh toradh laghdaitheach. I gcás bannaí carbóin–carbóin: C–C, 1.54 Å agus 345 kJ/mol; C=C, 1.34 Å agus 611 kJ/mol; C≡C, 1.20 Å agus 837 kJ/mol.

Sampla oibrithe 3. Tugann dealú fuinneamh garbh do gach banna π breise. Cuireann an chéad bhanna π 611 − 345 = 266 kJ/mol leis, agus cuireann an dara ceann 837 − 611 = 226 kJ/mol leis. Tá an dá cheann níos lú ná an 345 kJ/mol de bhanna σ C–C, toisc go bhfuil forluí taobh le taobh níos laige ná forluí ceann le ceann. Níl banna dúbailte ach 1.77 uair chomh láidir le banna aonair, ní faoi dhó chomh láidir. Is é an banna π níos laige an chuid a bhriseann in imoibrithe suimithe, agus sin é an fáth a suimíonn ailcéiní Br₂ agus HBr go réidh, agus H₂ i láthair catalaígh mhiotail. Láimhseáil na difríochtaí seo mar mheastacháin; comhcheanglaíonn meánfhuinnimh bhannaí luachanna ó go leor móilíní difriúla.

Leictreoin pi dhílogánaithe agus teorainneacha na bhfithiseán hibrideach

I mbeinséin, C₆H₆, is sp² é gach carbón agus tá fithiseán p neamhhibridithe amháin aige atá ingearach leis an bhfáinne. Forluíonn sé fhithiseán p comhthreomhara an bealach ar fad timpeall, mar sin tá na sé leictreon π scaipthe thar an bhfáinne ar fad seachas a bheith socraithe i dtrí bhanna dúbailte. Tá an fad céanna ag na sé bhanna C–C ar fad, idir faid tipiciúla bannaí aonair agus dúbailte.

Athshocraíonn athshondas leictreoin π agus péirí aonair, ní bannaí σ riamh, mar sin i gcás adamh cosúil leis na carbóin i mbeinséin tugann aon struchtúr bailí an hibridiú céanna; déanann OpenStax an pointe seo go sainráite i gcás beinséine. Bí cúramach le hadamh a n-éiríonn a phéire aonair ina bhanna π i struchtúr eile, ar nós na nítrigine in aimíd: athraíonn a líon fearann idir struchtúir, agus léiríonn a gheoiméadracht phleanach bhreathnaithe gur sp² í. Is réimse é dílogánú ina n-éiríonn teoiric an bhanna vailinse míchaoithiúil, agus tugann teoiric na bhfithiseán móilíneach cur síos níos glaine.

Péireálann teoiric an bhanna vailinse gach leictreon i mbanna nó i bpéire aonair, mar sin tuarann sí nach bhfuil aon leictreon neamhphéireáilte ag O₂. Go deimhin meallann maighnéad ocsaigin leachtach, rud a léiríonn go bhfuil leictreoin neamhphéireáilte ag O₂. Tógann teoiric na bhfithiseán móilíneach fithiseáin a bhaineann leis an móilín ar fad. Is é ord an bhanna leath na difríochta idir leictreoin i bhfithiseáin nasctha agus i bhfithiseáin fhrithnasctha. I gcás O₂, tugann an 12 leictreon vailinse 8 nasctha agus 4 frithnasctha, mar sin ord banna (8 − 4)/2 = 2. Áitíonn an dá leictreon dheireanacha dhá fhithiseán π* ar leith le casadh comhthreomhar, rud a mhíníonn an paramaighnéadas. I gcás N₂, (8 − 2)/2 = 3, rud a mheaitseálann a bhanna triarach.

Earráidí hibridithe agus conas breith orthu

Eascraíonn formhór na n-earráidí as an struchtúr Lewis a scipeáil nó as fearainn a chomhaireamh go mícheart. Comhair bannaí σ agus péirí aonair ar an adamh ar dtús; leanann an hibridiú ón gcomhaireamh sin amháin.

• Bannaí π a chomhaireamh san uimhir steiriceach. Ní chomhairtear ach bannaí σ agus péirí aonair mar fhearainn.
• Péirí aonair a dhearmad, rud a fhágann go bhfuil cuma sp² seachas sp³ ar an nítrigin in NH₃.
• Banna dúbailte a chomhaireamh mar dhá bhanna σ. Is σ amháin agus π amháin gach banna dúbailte.
• Hidrigin a fhágáil ar lár agus bannaí σ á gcomhaireamh i bhfoirmle chnámharlaigh nó chomhdhlúite.
• Glacadh leis gur sp² é gach carbón a bhfuil banna dúbailte aige. Tá dhá fhearann ag carbón lárnach CO₂, le dhá bhanna dúbailte, agus is sp é.
• A chreidiúint go n-athraíonn struchtúr athshondais hibridiú adaimh. Bogann athshondas leictreoin π, ní bannaí σ.