ჰიბრიდიზაცია და სიგმა და პი ბმები: ორბიტალები მოლეკულის ფორმის მიღმა

ბმები როგორც ორბიტალების გადაფარვა

ვალენტური ბმების თეორია კოვალენტურ ბმას აღწერს როგორც საპირისპირო სპინების მქონე ორ ელექტრონს იმ არეში, სადაც ორი ატომის ორბიტალები ერთმანეთს ფარავს. გადაფარვა ელექტრონულ სიმკვრივეს ბირთვებს შორის აკონცენტრირებს, სადაც ის ორივეს იზიდავს. მეტი გადაფარვა, როგორც წესი, უფრო მტკიცე ბმას ნიშნავს.

გადაფარვა ორნაირად შეიძლება მოხდეს. სიგმა (σ) ბმაში ორბიტალები ბოლოებით ხვდება ერთმანეთს, ბირთვების შემაერთებელი ხაზის გასწვრივ, ამიტომ ელექტრონული სიმკვრივე ამ ღერძზეა უდიდესი. პი (π) ბმაში ორი პარალელური p ორბიტალი გვერდულად ფარავს ერთმანეთს, ამიტომ სიმკვრივე ღერძის ზემოთ და ქვემოთაა, ღერძის შემცველი კვანძური სიბრტყით. ყოველი ერთმაგი ბმა σ ბმაა.

რატომ უნდა შეერიოს ერთმანეთს ნახშირბადის 2s და 2p ორბიტალები

ნახშირბადის ვალენტური ორბიტალებია ერთი 2s და სამი 2p. სამი p ორბიტალი მიმართულია x, y და z ღერძების გასწვრივ, ერთმანეთის მიმართ 90°-ით. მეთანის ოთხ C–H ბმას რომ ისინი პირდაპირ გამოეყენებინა, სამი ბმა 90°-ით იქნებოდა განლაგებული და ერთი განსხვავებული იქნებოდა. სინამდვილეში CH₄-ის ოთხივე ბმა იდენტურია და ერთმანეთისგან 109.5°-ითაა დაშორებული.

ჰიბრიდიზაცია ამ წინააღმდეგობას ხსნის. 2s ორბიტალის მათემატიკური კომბინირება სამივე 2p ორბიტალთან იძლევა ოთხ ეკვივალენტურ sp³ ჰიბრიდულ ორბიტალს, რომლებიც ტეტრაედრის წვეროებისკენაა მიმართული. ჰიბრიდული ორბიტალების რაოდენობა ყოველთვის შერეული ატომური ორბიტალების რაოდენობის ტოლია. თითოეულ sp³ ორბიტალს აქვს ერთი დიდი ნაწილი, რომელიც კარგად ფარავს წყალბადის 1s ორბიტალს, რის გამოც ჰიბრიდული ორბიტალები მტკიცე σ ბმებს ქმნის.

ჰიბრიდიზაციის განსაზღვრა სტერული რიცხვით

ჰიბრიდიზაცია გამომდინარეობს ატომის გარშემო ელექტრონული დომენების რაოდენობიდან, ანუ VSEPR-ის მიხედვით მისი სტერული რიცხვიდან. გაუზიარებელი წყვილები დომენებად ითვლება, ჯერადი ბმა კი ერთხელ ითვლება. როგორც კი სტერული რიცხვი ცნობილია, ჰიბრიდიზაცია განსაზღვრულია.

გაუზიარებელი წყვილებიც ჰიბრიდულ ორბიტალებს იკავებს და ბმებს ერთმანეთთან აახლოებს. OpenStax Chemistry 2e (ნაწილი 8.2) ამიაკში H–N–H კუთხისთვის იძლევა 107.3°-ს, წყალში H–O–H-ისთვის კი 104.5°-ს; ორივე sp³-ია, იდეალურ 109.5°-ზე ნაკლები ბმის კუთხეებით.

• სტერული რიცხვი 2: sp, წრფივი, 180°. ერთი s და ერთი p ერევა, რჩება ორი არაჰიბრიდიზებული p ორბიტალი. თითოეულ sp ორბიტალს 50% s ხასიათი აქვს.
• სტერული რიცხვი 3: sp², ბრტყელი სამკუთხა, 120°. ერთი s და ორი p ერევა, რჩება სიბრტყის მართობული ერთი p ორბიტალი. 33% s ხასიათი.
• სტერული რიცხვი 4: sp³, ტეტრაედრული, 109.5°. ერთი s და სამი p ერევა და არცერთი არ რჩება. 25% s ხასიათი.
• სტერულ რიცხვებს 5 და 6 ხშირად აღნიშნავენ sp³d-ით და sp³d²-ით, როგორც OpenStax-შია. ისინი გეომეტრიის აღნიშვნებად განიხილეთ; იხილეთ შეზღუდვები ქვემოთ.

ორმაგი და სამმაგი ბმები როგორც სიგმა პლუს პი

ეთილენში, H₂C=CH₂, თითოეულ ნახშირბადს სამი დომენი აქვს და sp²-ია. სამი sp² ორბიტალი σ ბმებს ქმნის ორ წყალბადთან და მეორე ნახშირბადთან. ორ ნახშირბადზე დარჩენილი p ორბიტალები პარალელურია და გვერდულად ფარავს ერთმანეთს, π ბმას ქმნის. ამრიგად, ორმაგი ბმა არის ერთი σ ბმა პლუს ერთი π ბმა. სამმაგი ბმა, როგორც აცეტილენში, HC≡CH, არის ერთი σ ბმა პლუს ორი π ბმა, რომლებიც sp ნახშირბადებზე ერთმანეთის მართობული არაჰიბრიდიზებული p ორბიტალების ორი წყვილიდან წარმოიქმნება.

π ბმა ხსნის, რატომ არ ბრუნავს ორმაგი ბმა თავისუფლად. ერთი ბოლოს 90°-ით შემობრუნება p ორბიტალებს მართობულს გახდიდა და π გადაფარვას დაარღვევდა. სწორედ ამიტომ არის ცის-2-ბუტენი და ტრანს-2-ბუტენი სხვადასხვა ნაერთი, რომლებიც ოთახის ტემპერატურაზე ერთმანეთში არ გადადის, მაშინ როცა C–C ერთმაგი ბმის ორი ბოლო ადვილად ბრუნავს.

გადაწყვეტილი მაგალითები: ბმების დათვლა აკრილონიტრილსა და ასპირინში

σ და π ბმების დასათვლელად დახატეთ სრული ლუისის სტრუქტურა, ყველა წყალბადის ჩათვლით. შემდეგ ბმის ყოველი ხაზი ზუსტად ერთ σ ბმას იძლევა, ყოველი ორმაგი ბმა ერთ π ბმას ამატებს, ყოველი სამმაგი ბმა კი ორს.

გადაწყვეტილი მაგალითი 1. აკრილონიტრილი, H₂C=CH–C≡N, რომელიც აკრილის ბოჭკოების დასამზადებლად გამოიყენება. σ ბმები: სამი C–H, ერთი C=C-ში, ერთი C–C-ში და ერთი C≡N-ში, სულ 6. π ბმები: ერთი C=C-ში და ორი C≡N-ში, სულ 3. ჰიბრიდიზაცია: ორმაგი ბმის ორივე ნახშირბადს სამი დომენი აქვს და sp²-ია; ნიტრილის ნახშირბადს ორი დომენი აქვს და sp-ია; აზოტიც, ერთი ბმის დომენითა და ერთი გაუზიარებელი წყვილით, sp-ია. შემოწმებისთვის, ვალენტური ელექტრონებია 3(4) + 3(1) + 5 = 20: 9 ბმა 18-ს იტევს, ხოლო აზოტის გაუზიარებელი წყვილი დანარჩენ 2-ს.

გადაწყვეტილი მაგალითი 2. ასპირინი, C₉H₈O₄, დახატული ბენზოლის რგოლში მონაცვლე ორმაგი ბმებით. σ ბმები: 6 C–C რგოლში, 4 რგოლის C–H, 4 კარბოქსილის ჯგუფში რგოლთან მის კავშირთან ერთად (რგოლის C–C, C=O, C–O და O–H) და 7 ესტერულ ჯგუფში (რგოლის C–O, O–C, C=O, C–CH₃ და სამი C–H). ეს იძლევა 6 + 4 + 4 + 7 = 21 σ ბმას. π ბმები: 3 რგოლში და 1 თითოეულ C=O-ში, სულ 5. შემოწმება: ასპირინს აქვს 21 ატომი და ერთი რგოლი, ხოლო ნებისმიერ ბმულ სტრუქტურას აქვს (ატომები − 1 + რგოლები) σ ბმა, 21 − 1 + 1 = 21. ელექტრონების დათვლაც ემთხვევა: 26 ბმა 52 ელექტრონს იტევს, ოთხ ჟანგბადზე რვა გაუზიარებელი წყვილია, ანუ 16 ელექტრონი, და 9(4) + 8(1) + 4(6) = 68. რვა ნახშირბადი sp²-ია; მხოლოდ მეთილის ნახშირბადია sp³.

რამდენად მტკიცეა პი ბმა სიგმა ბმასთან შედარებით?

ბმის საშუალო ენერგიები OpenStax Chemistry 2e-ის ცხრილ 7.3-ში აჩვენებს, რომ ორ ატომს შორის ბმების დამატება კლებად სარგებელს იძლევა. ნახშირბად–ნახშირბადის ბმებისთვის: C–C, 1.54 Å და 345 kJ/mol; C=C, 1.34 Å და 611 kJ/mol; C≡C, 1.20 Å და 837 kJ/mol.

გადაწყვეტილი მაგალითი 3. გამოკლება თითოეული დამატებული π ბმისთვის მიახლოებით ენერგიას იძლევა. პირველი π ბმა ამატებს 611 − 345 = 266 kJ/mol-ს, მეორე კი 837 − 611 = 226 kJ/mol-ს. ორივე C–C σ ბმის 345 kJ/mol-ზე ნაკლებია, რადგან გვერდული გადაფარვა ბოლოებით გადაფარვაზე სუსტია. ორმაგი ბმა ერთმაგზე მხოლოდ 1.77-ჯერ მტკიცეა და არა ორჯერ. სუსტი π ბმა ის ნაწილია, რომელიც მიერთების რეაქციებში წყდება, რის გამოც ალკენები ადვილად იერთებს Br₂-ს და HBr-ს, ხოლო ლითონური კატალიზატორის თანდასწრებით H₂-ს. ეს სხვაობები შეფასებებად განიხილეთ; ბმის საშუალო ენერგიები მრავალი სხვადასხვა მოლეკულის მნიშვნელობებს აერთიანებს.

დელოკალიზებული პი ელექტრონები და ჰიბრიდული ორბიტალების ზღვრები

ბენზოლში, C₆H₆, ყოველი ნახშირბადი sp²-ია და აქვს რგოლის მართობული ერთი არაჰიბრიდიზებული p ორბიტალი. ექვსი პარალელური p ორბიტალი მთელ წრეზე ფარავს ერთმანეთს, ამიტომ ექვსი π ელექტრონი მთელ რგოლზეა განაწილებული და არა სამ ორმაგ ბმაში ფიქსირებული. ექვსივე C–C ბმას ერთნაირი სიგრძე აქვს, ტიპურ ერთმაგ და ორმაგ ბმის სიგრძეებს შორის.

რეზონანსი გადაანაწილებს π ელექტრონებსა და გაუზიარებელ წყვილებს და არასოდეს σ ბმებს, ამიტომ ისეთი ატომებისთვის, როგორიცაა ბენზოლის ნახშირბადები, ნებისმიერი სწორი სტრუქტურა ერთსა და იმავე ჰიბრიდიზაციას იძლევა; OpenStax ამას ბენზოლისთვის პირდაპირ აღნიშნავს. სიფრთხილე გამოიჩინეთ ატომთან, რომლის გაუზიარებელი წყვილი სხვა სტრუქტურაში π ბმად იქცევა, მაგალითად ამიდის აზოტთან: მისი დომენების რაოდენობა სტრუქტურებს შორის იცვლება, ხოლო მისი დაკვირვებული ბრტყელი გეომეტრია აჩვენებს, რომ ის sp²-ია. დელოკალიზაცია ის სფეროა, სადაც ვალენტური ბმების თეორია მოუხერხებელი ხდება, მოლეკულური ორბიტალების თეორია კი უფრო სუფთა აღწერას იძლევა.

ვალენტური ბმების თეორია ყოველ ელექტრონს აწყვილებს ბმაში ან გაუზიარებელ წყვილში, ამიტომ წინასწარმეტყველებს, რომ O₂-ს დაუწყვილებელი ელექტრონები არ აქვს. სინამდვილეში თხევად ჟანგბადს მაგნიტი იზიდავს, რაც აჩვენებს, რომ O₂-ს დაუწყვილებელი ელექტრონები აქვს. მოლეკულური ორბიტალების თეორია აგებს ორბიტალებს, რომლებიც მთელ მოლეკულას ეკუთვნის. ბმის რიგი შემკვრელ და მაშლელ ორბიტალებში ელექტრონების სხვაობის ნახევარია. O₂-ისთვის 12 ვალენტური ელექტრონი იძლევა 8 შემკვრელს და 4 მაშლელს, ამიტომ ბმის რიგია (8 − 4)/2 = 2. ბოლო ორი ელექტრონი ორ ცალკეულ π* ორბიტალს იკავებს პარალელური სპინებით, რაც პარამაგნეტიზმს ხსნის. N₂-ისთვის (8 − 2)/2 = 3, რაც მის სამმაგ ბმას შეესაბამება.

ჰიბრიდიზაციის შეცდომები და როგორ დავიჭიროთ ისინი

შეცდომების უმეტესობა ლუისის სტრუქტურის გამოტოვებიდან ან დომენების არასწორად დათვლიდან მოდის. ჯერ დაითვალეთ ატომზე σ ბმები და გაუზიარებელი წყვილები; ჰიბრიდიზაცია მხოლოდ ამ რაოდენობიდან გამომდინარეობს.

• π ბმების ჩათვლა სტერულ რიცხვში. დომენებად მხოლოდ σ ბმები და გაუზიარებელი წყვილები ითვლება.
• გაუზიარებელი წყვილების დავიწყება, რის გამოც NH₃-ში აზოტი sp³-ის ნაცვლად sp²-ად გამოიყურება.
• ორმაგი ბმის ორ σ ბმად ჩათვლა. ყოველი ორმაგი ბმა არის ერთი σ და ერთი π.
• წყალბადების გამოტოვება σ ბმების დათვლისას ჩონჩხურ ან შემოკლებულ ფორმულაში.
• იმის დაშვება, რომ ორმაგი ბმის მქონე ყოველი ნახშირბადი sp²-ია. CO₂-ის ცენტრალურ ნახშირბადს, ორი ორმაგი ბმით, ორი დომენი აქვს და sp-ია.
• იმის რწმენა, რომ რეზონანსული სტრუქტურა ატომის ჰიბრიდიზაციას ცვლის. რეზონანსი π ელექტრონებს გადაადგილებს და არა σ ბმებს.