Hybridization iyo xidhiidhada sigma iyo pi: orbital-yada ka dambeeya qaabka molekiyuulka

Xidhiidhada oo ah orbital-yo is-dul-saaran

Aragtida xidhiidhka valence waxay xidhiidh covalent ah ku sharxdaa laba elektaroon oo leh spin-yo ka soo horjeeda oo ku jira gobol ay orbital-yada laba atam isku dul saarmaan. Is-dul-saarku wuxuu cufnaanta elektaroonka ku uruuriyaa inta u dhexeysa nukliyeerrada, halkaas oo ay labadaba soo jiidato. Is-dul-saar badan guud ahaan macnaheedu waa xidhiidh xoog badan.

Is-dul-saarku wuxuu ku dhici karaa laba siyaabood. Xidhiidhka sigma (σ), orbital-yadu waxay ku kulmaan gees-ilaa-gees, xariiqda isku xidha nukliyeerrada, sidaa darteed cufnaanta elektaroonku waxay ugu badan tahay dhidibkaas. Xidhiidhka pi (π), laba orbital p oo barbar socda ayaa dhinac-ilaa-dhinac isu dul saarma, sidaa darteed cufnaantu waxay ku taal dhidibka korkiisa iyo hoostiisa, iyadoo uu jiro dhul-siman noodh ah oo dhidibka ka kooban. Xidhiidh keli ah kastaa waa xidhiidh σ.

Sababta orbital-yada 2s iyo 2p ee kaarboonku ay u khasban yihiin inay isku darmaan

Orbital-yada valence ee kaarboonku waa hal 2s iyo saddex 2p. Saddexda orbital ee p waxay u jeedaan x, y iyo z, iyagoo isu jira 90°. Haddii afarta xidhiidh ee C–H ee methane ay si toos ah u isticmaali lahaayeen, saddex xidhiidh waxay ahaan lahaayeen 90° midna wuu ka duwanaan lahaa. Halkii, afarta xidhiidh ee CH₄ dhammaantood waa isku mid oo waxay kala fog yihiin 109.5°.

Hybridization ayaa tan xallisa. Isku darka xisaab ahaaneed ee orbital-ka 2s iyo saddexda orbital ee 2p oo dhan wuxuu bixiyaa afar orbital oo hybrid sp³ ah oo isle'eg kuwaas oo u jeeda geesaha afar-wejiile. Tirada orbital-yada hybrid-ka ahi had iyo jeer waxay le'eg tahay tirada orbital-yada atamka ee la isku daray. Orbital sp³ kastaa wuxuu leeyahay hal qayb (lobe) weyn oo si wanaagsan ugu dul saarma orbital 1s ee hydrogen, taasina waa sababta orbital-yada hybrid-ka ahi u sameeyaan xidhiidhada σ ee xooggan.

U qoondaynta hybridization-ka lambarka steric

Hybridization-ku wuxuu ka dhashaa tirada goobaha elektaroonka ee ku wareegsan atam, lambarkiisa steric ee VSEPR. Lammaanayaasha keli ahi waxay u tirsan yihiin goobo, xidhiidh badan (multiple) ahna wuxuu tirsadaa mar keliya. Marka aad ogaato lambarka steric, hybridization-ku waa go'an yahay.

Lammaanayaasha keli ahi sidoo kale waxay qabsadaan orbital-yo hybrid ah waxayna xidhiidhada isu sii dhoweeyaan. OpenStax Chemistry 2e (Qaybta 8.2) waxay bixisaa 107.3° xagasha H–N–H ee ammonia iyo 104.5° H–O–H ee biyaha, labaduba waa sp³ oo leh xagallo xidhiidh oo ka hooseeya 109.5°-ka ku habboon.

• Lambarka steric 2: sp, toosan, 180°. Hal s iyo hal p ayaa isku darma, iyagoo ka tagaya laba orbital p oo aan hybrid noqon. Orbital sp kastaa waa 50% dabeecad s.
• Lambarka steric 3: sp², saddex-gees fidsan, 120°. Hal s iyo laba p ayaa isku darma, iyagoo ka tagaya hal orbital p oo toosan (perpendicular) dhul-simanka. 33% dabeecad s.
• Lambarka steric 4: sp³, afar-wejiile, 109.5°. Hal s iyo saddex p ayaa isku darma, iyagoo aan waxba ka tagin. 25% dabeecad s.
• Lambarrada steric 5 iyo 6 badanaa waxaa lagu calaamadeeyaa sp³d iyo sp³d², sida OpenStax. U qaado kuwan calaamado joomatari; eeg xadidaadaha hoose.

Xidhiidhada laba-laab iyo saddex-laab ah oo ah sigma iyo pi

Ethylene, H₂C=CH₂, kaarboon kastaa wuxuu leeyahay saddex goob waana sp². Saddexda orbital ee sp² waxay xidhiidhada σ la sameeyaan laba hydrogen iyo kaarboonka kale. Orbital-yada p ee ka haray labada kaarboon waa barbar socda waxayna dhinac-ilaa-dhinac isu dul saarmaan si ay u sameeyaan xidhiidh π. Sidaa darteed xidhiidh laba-laab ahi waa hal xidhiidh σ iyo hal xidhiidh π. Xidhiidh saddex-laab ah, sida acetylene, HC≡CH, waa hal xidhiidh σ iyo laba xidhiidh π, oo laga sameeyey laba lammaane oo orbital p ah oo aan hybrid noqon oo isu jira xagal qumman, oo ku yaal kaarboonno sp ah.

Xidhiidhka π ayaa sharxaya sababta xidhiidhada laba-laab ahi aysan si xor ah u wareegin. Qalloocinta hal cirif 90° waxay orbital-yada p ka dhigi lahayd kuwo isu toosan (perpendicular) waxayna jebin lahayd is-dul-saarka π. Taasi waa sababta cis-2-butene iyo trans-2-butene ay u yihiin isku-dhisyo kala duwan oo aan isu beddelin heerkulka qolka, halka labada cirif ee xidhiidhka keliga ah ee C–C ay si fudud u wareegaan.

Tusaalayaal la xaliyey: tirinta xidhiidhada acrylonitrile iyo aspirin

Si aad u tiriso xidhiidhada σ iyo π, sawir qaabdhismeed Lewis oo dhammaystiran, oo ay ku jiraan hydrogen kasta. Kadib xariiq xidhiidh kastaa wuxuu ku daraa si sax ah hal xidhiidh σ, xidhiidh laba-laab ah kastaa wuxuu ku daraa hal xidhiidh π, xidhiidh saddex-laab ah kastaana wuxuu ku daraa laba.

Tusaale la xaliyey 1. Acrylonitrile, H₂C=CH–C≡N, oo loo isticmaalo samaynta fiilooyinka acrylic-ga. Xidhiidhada σ: saddex C–H, mid C=C ku jira, mid C–C ku jira iyo mid C≡N ku jira, wadar ahaan 6. Xidhiidhada π: mid C=C ku jira iyo laba C≡N ku jira, wadar ahaan 3. Hybridization: labada kaarboon ee xidhiidhka laba-laabka ah waxay leeyihiin saddex goob waana sp²; kaarboonka nitrile-ku wuxuu leeyahay laba goob waana sp; nitrogen, oo leh hal goob xidhiidh iyo hal lammaane keli ah, sidoo kale waa sp. Hubin ahaan, elektaroonnada valence waa 3(4) + 3(1) + 5 = 20: 9 xidhiidh ayaa qaada 18, lammaanaha keli ah ee nitrogen-na wuxuu qaadaa 2-da kale.

Tusaale la xaliyey 2. Aspirin, C₉H₈O₄, oo lagu sawiray xidhiidhada laba-laab ah ee isbeddelaya ee giraanta benzene. Xidhiidhada σ: 6 C–C giraanta, 4 C–H giraanta, 4 kooxda aashitada carboxylic iyo xidhiidhkeeda giraanta (C–C giraanta, C=O, C–O iyo O–H), iyo 7 kooxda ester (C–O giraanta, O–C, C=O, C–CH₃ iyo saddex C–H). Taasi waxay bixisaa 6 + 4 + 4 + 7 = 21 xidhiidh σ. Xidhiidhada π: 3 giraanta iyo 1 C=O kasta, wadar ahaan 5. Hubin: aspirin wuxuu leeyahay 21 atam iyo hal giraan, qaabdhismeed kasta oo isku xidhanna wuxuu leeyahay (atamyo − 1 + giraamo) xidhiidh σ, 21 − 1 + 1 = 21. Tirinta elektaroonnadu sidoo kale way shaqaysaa: 26 xidhiidh ayaa qaada 52 elektaroon, afarta oksijiin waxay qaadaan sideed lammaane oo keli ah, ama 16 elektaroon, iyo 9(4) + 8(1) + 4(6) = 68. Sideed kaarboon waa sp²; kaarboonka methyl-ka oo keliya ayaa sp³ ah.

Intee le'eg ayuu xoog badan yahay xidhiidhka pi marka loo eego xidhiidhka sigma?

Celceliska tamarta xidhiidhada ee OpenStax Chemistry 2e Shaxda 7.3 waxay muujinayaan in ku darista xidhiidhada u dhexeeya laba atam ay bixiso faa'iido sii yaraanaysa. Xidhiidhada kaarboon–kaarboon: C–C, 1.54 Å iyo 345 kJ/mol; C=C, 1.34 Å iyo 611 kJ/mol; C≡C, 1.20 Å iyo 837 kJ/mol.

Tusaale la xaliyey 3. Ka-jarku wuxuu bixiyaa tamar qiyaas ah oo xidhiidh π kasta oo lagu daray. Xidhiidhka π ee koowaad wuxuu ku daraa 611 − 345 = 266 kJ/mol, kan labaadna wuxuu ku daraa 837 − 611 = 226 kJ/mol. Labaduba way ka yar yihiin 345 kJ/mol ee xidhiidh σ ee C–C, sababtoo ah is-dul-saarka dhinac-ilaa-dhinac wuu ka daciifsan yahay is-dul-saarka gees-ilaa-gees. Xidhiidh laba-laab ahi waa 1.77 jibaar oo keliya xoogga xidhiidh keli ah, ma aha laba jibaar. Xidhiidhka π ee daciifka ah waa qaybta jabta falgallada ku-darista, taasina waa sababta alkene-yadu si fudud ugu daraan Br₂ iyo HBr, iyo H₂ marka uu jiro catalyst bir ah. U qaado farqiyadan qiyaasayaal; celceliska tamarta xidhiidhadu wuxuu isku daraa qiimayaal molekiyuullo badan oo kala duwan.

Elektaroonnada pi ee kala firdhay iyo xadka orbital-yada hybrid-ka ah

Benzene, C₆H₆, kaarboon kastaa waa sp² wuxuuna leeyahay hal orbital p oo aan hybrid noqon oo isu toosan giraanta. Lix orbital p oo barbar socda ayaa isu dul saarma giraanta oo dhan, sidaa darteed lixda elektaroon ee π waxay ku faafaan giraanta oo dhan halkii ay ku xidhnaan lahaayeen saddex xidhiidh laba-laab ah. Lixda xidhiidh ee C–C dhammaantood waxay leeyihiin isla dherer, oo u dhexeeya dhererka caadiga ah ee xidhiidhka keliga iyo laba-laabka.

Resonance-ku wuxuu dib u habeeyaa elektaroonnada π iyo lammaanayaasha keli ah, marnaba xidhiidhada σ, sidaa darteed atamyada sida kaarboonnada benzene qaabdhismeed kasta oo sax ahi wuxuu bixiyaa isla hybridization; OpenStax si cad ayay tan ugu sheegtaa benzene. Ka taxaddar atam lammaanihiisa keli ahi uu qaabdhismeed kale ku noqdo xidhiidh π, sida nitrogen-ka amide: tirada goobihiisu way kala duwan tahay qaabdhismeedyada, joomatarigiisa fidsan ee la arkayna wuxuu muujinayaa inuu yahay sp². Kala-firdhintu (delocalization) waa meel ay aragtida xidhiidhka valence ku adkaato, aragtida orbital-ka molekiyuulkuna waxay bixisaa sharaxaad ka nadiifsan.

Aragtida xidhiidhka valence waxay elektaroon kasta ku lammaanaysaa xidhiidh ama lammaane keli ah, sidaa darteed waxay saadaalisaa in O₂ uusan lahayn elektaroonno aan lammaanayn. Oksijiin dareeraha ah dhab ahaan waxaa soo jiita magnet, taasoo muujinaysa in O₂ uu leeyahay elektaroonno aan lammaanayn. Aragtida orbital-ka molekiyuulku waxay dhistaa orbital-yo ka tirsan molekiyuulka oo dhan. Lambarka xidhiidhku (bond order) waa badh farqiga u dhexeeya elektaroonnada orbital-yada xidhiidhka (bonding) iyo kuwa ka-hor-xidhiidhka (antibonding). O₂, 12-ka elektaroon ee valence waxay bixiyaan 8 xidhiidh iyo 4 ka-hor-xidhiidh, sidaa darteed lambarka xidhiidhku waa (8 − 4)/2 = 2. Labada elektaroon ee ugu dambeeya waxay qabsadaan laba orbital π* oo kala gooni ah oo leh spin-yo barbar socda, taasoo sharxaysa paramagnetism-ka. N₂, (8 − 2)/2 = 3, oo waafaqsan xidhiidhkiisa saddex-laabka ah.

Khaladaadka hybridization-ka iyo sida loo qabto

Khaladaadka badankoodu waxay ka yimaadaan ka boodidda qaabdhismeedka Lewis ama khalad ku tirinta goobaha. Marka hore tiri xidhiidhada σ iyo lammaanayaasha keli ah ee atamka; hybridization-ku wuxuu ka dhashaa tirintaas oo keliya.

• Ku tirinta xidhiidhada π lambarka steric. Xidhiidhada σ iyo lammaanayaasha keli ah oo keliya ayaa u tirsan goobo.
• Illaawidda lammaanayaasha keli ah, taasoo nitrogen-ka NH₃ ka dhigaysa mid u muuqda sp² halkii uu ka ahaan lahaa sp³.
• U tirinta xidhiidh laba-laab ah laba xidhiidh σ. Xidhiidh laba-laab ah kastaa waa hal σ iyo hal π.
• Ka tegidda hydrogen-yada marka la tirinayo xidhiidhada σ ee qaacido lafeed (skeletal) ama koobsan.
• Malaynta in kaarboon kasta oo leh xidhiidh laba-laab ah uu yahay sp². Kaarboonka dhexe ee CO₂, oo leh laba xidhiidh laba-laab ah, wuxuu leeyahay laba goob waana sp.
• Rumaysashada in qaabdhismeed resonance uu beddelo hybridization-ka atam. Resonance-ku wuxuu dhaqaajiyaa elektaroonnada π, ma aha xidhiidhada σ.