Uhaibridishaji na Vifungo vya Sigma na Pi: Obiti Nyuma ya Umbo la Molekuli

Vifungo kama obiti zinazopishana

Nadharia ya kifungo cha valensi inaeleza kifungo cha ushirikiano kama elektroni mbili zenye spini kinyume katika eneo ambapo obiti za atomi mbili zinapishana. Mpishano hukusanya msongamano wa elektroni kati ya viini, ambapo huvivuta vyote viwili. Mpishano zaidi kwa ujumla unamaanisha kifungo chenye nguvu zaidi.

Mpishano unaweza kutokea kwa njia mbili. Katika kifungo cha sigma (σ), obiti hukutana ncha kwa ncha, kando ya mstari unaounganisha viini, kwa hivyo msongamano wa elektroni ni mkubwa zaidi kwenye mhimili huo. Katika kifungo cha pi (π), obiti mbili sambamba za p hupishana ubavu kwa ubavu, kwa hivyo msongamano uko juu na chini ya mhimili, huku bapa la nodi likiwa na mhimili huo. Kila kifungo cha pekee ni kifungo cha σ.

Kwa nini obiti za 2s na 2p za kaboni lazima zichanganyike

Obiti za valensi za kaboni ni 2s moja na 2p tatu. Obiti tatu za p zinaelekea kando ya x, y na z, kwa 90° kati yake. Kama vifungo vinne vya C–H vya methani vingezitumia moja kwa moja, vifungo vitatu vingekuwa kwa 90° na kimoja kingekuwa tofauti. Badala yake, vifungo vyote vinne katika CH₄ vinafanana na viko umbali wa 109.5° kati yake.

Uhaibridishaji hutatua hili. Kuchanganya kihisabati obiti ya 2s na obiti zote tatu za 2p kunatoa obiti mseto nne za sp³ zinazolingana zinazoelekea pembe za tetrahedroni. Idadi ya obiti mseto daima ni sawa na idadi ya obiti za atomi zilizochanganywa. Kila obiti ya sp³ ina pande moja kubwa linalopishana vizuri na obiti ya 1s ya hidrojeni, ndiyo sababu obiti mseto huunda vifungo vya σ vyenye nguvu.

Kupanga uhaibridishaji kutoka kwa namba ya steriki

Uhaibridishaji hufuata kutoka kwa idadi ya vikoa vya elektroni kuzunguka atomi, namba yake ya steriki kutoka VSEPR. Jozi pweke huhesabiwa kama vikoa, na kifungo cha mara nyingi huhesabiwa mara moja. Ukishajua namba ya steriki, uhaibridishaji umeamuliwa.

Jozi pweke pia hukalia obiti mseto na kusukuma vifungo karibu zaidi. OpenStax Chemistry 2e (Sehemu 8.2) inatoa 107.3° kwa pembe ya H–N–H katika amonia na 104.5° kwa H–O–H katika maji, zote zikiwa sp³ zenye pembe za vifungo chini ya 109.5° bora.

• Namba ya steriki 2: sp, ya mstari, 180°. s moja na p moja huchanganyika, zikiacha obiti mbili za p zisizohaibridishwa. Kila obiti ya sp ina tabia ya s ya 50%.
• Namba ya steriki 3: sp², pembetatu bapa, 120°. s moja na p mbili huchanganyika, zikiacha obiti moja ya p iliyo pembe mraba na bapa. Tabia ya s ya 33%.
• Namba ya steriki 4: sp³, tetrahedroni, 109.5°. s moja na p tatu huchanganyika, bila kuacha yoyote. Tabia ya s ya 25%.
• Namba za steriki 5 na 6 mara nyingi huitwa sp³d na sp³d², kama katika OpenStax. Zichukulie kama lebo za jiometri; tazama mipaka hapa chini.

Vifungo maradufu na mara tatu kama sigma pamoja na pi

Katika ethileni, H₂C=CH₂, kila kaboni ina vikoa vitatu na ni sp². Obiti tatu za sp² huunda vifungo vya σ kwa hidrojeni mbili na kaboni nyingine. Obiti za p zilizobaki kwenye kaboni mbili ni sambamba na hupishana ubavu kwa ubavu kuunda kifungo cha π. Kwa hivyo kifungo maradufu ni kifungo kimoja cha σ pamoja na kifungo kimoja cha π. Kifungo cha mara tatu, kama katika asetilini, HC≡CH, ni kifungo kimoja cha σ pamoja na vifungo viwili vya π, vilivyotengenezwa kutoka kwa jozi mbili za obiti za p zisizohaibridishwa zilizo pembe mraba kati yake kwenye kaboni za sp.

Kifungo cha π kinaeleza kwa nini vifungo maradufu havizunguki kwa uhuru. Kupotosha ncha moja kwa 90° kungefanya obiti za p kuwa pembe mraba na kuvunja mpishano wa π. Ndiyo sababu cis-2-butene na trans-2-butene ni misombo tofauti isiyobadilikiana katika joto la kawaida la chumba, huku ncha mbili za kifungo cha pekee cha C–C zikizunguka kwa urahisi.

Mifano iliyotatuliwa: kuhesabu vifungo katika akrilonitrili na aspirini

Kuhesabu vifungo vya σ na π, chora muundo kamili wa Lewis, ukijumuisha kila hidrojeni. Kisha kila mstari wa kifungo unachangia kifungo kimoja hasa cha σ, kila kifungo maradufu huongeza kifungo kimoja cha π, na kila kifungo cha mara tatu huongeza viwili.

Mfano uliotatuliwa 1. Akrilonitrili, H₂C=CH–C≡N, inayotumika kutengeneza nyuzi za akriliki. Vifungo vya σ: C–H tatu, kimoja katika C=C, kimoja katika C–C na kimoja katika C≡N, jumla 6. Vifungo vya π: kimoja katika C=C na viwili katika C≡N, jumla 3. Uhaibridishaji: kaboni zote mbili za kifungo maradufu zina vikoa vitatu na ni sp²; kaboni ya nitrili ina vikoa viwili na ni sp; naitrojeni, yenye kikoa kimoja cha kifungo na jozi pweke moja, pia ni sp. Kama ukaguzi, elektroni za valensi ni 3(4) + 3(1) + 5 = 20: vifungo 9 hubeba 18, na jozi pweke ya naitrojeni hubeba 2 zilizobaki.

Mfano uliotatuliwa 2. Aspirini, C₉H₈O₄, iliyochorwa kwa vifungo maradufu vinavyopishana katika pete ya benzini. Vifungo vya σ: C–C 6 katika pete, C–H 4 za pete, na 4 katika kikundi cha asidi ya kaboksili pamoja na kiungo chake kwa pete (C–C ya pete, C=O, C–O na O–H), na 7 katika kikundi cha esta (C–O ya pete, O–C, C=O, C–CH₃ na C–H tatu). Hilo linatoa 6 + 4 + 4 + 7 = vifungo 21 vya σ. Vifungo vya π: 3 katika pete na 1 katika kila C=O, 5 kwa jumla. Ukaguzi: aspirini ina atomi 21 na pete moja, na muundo wowote ulioungana una vifungo vya σ (atomi − 1 + pete), 21 − 1 + 1 = 21. Hesabu ya elektroni pia inafanya kazi: vifungo 26 hubeba elektroni 52, oksijeni nne hubeba jozi pweke nane, au elektroni 16, na 9(4) + 8(1) + 4(6) = 68. Kaboni nane ni sp²; kaboni ya methili pekee ndiyo sp³.

Kifungo cha pi kina nguvu kiasi gani ikilinganishwa na kifungo cha sigma?

Wastani wa nishati za vifungo katika OpenStax Chemistry 2e Jedwali 7.3 unaonyesha kwamba kuongeza vifungo kati ya atomi mbili kunaleta faida inayopungua. Kwa vifungo vya kaboni–kaboni: C–C, 1.54 Å na 345 kJ/mol; C=C, 1.34 Å na 611 kJ/mol; C≡C, 1.20 Å na 837 kJ/mol.

Mfano uliotatuliwa 3. Kutoa kunatoa makadirio ya nishati kwa kila kifungo cha π kinachoongezwa. Kifungo cha kwanza cha π kinaongeza 611 − 345 = 266 kJ/mol, na cha pili kinaongeza 837 − 611 = 226 kJ/mol. Vyote viwili ni vidogo kuliko 345 kJ/mol ya kifungo cha σ cha C–C, kwa sababu mpishano wa ubavu kwa ubavu ni dhaifu kuliko mpishano wa ncha kwa ncha. Kifungo maradufu kina nguvu mara 1.77 tu ya kifungo cha pekee, si mara mbili. Kifungo dhaifu zaidi cha π ndicho sehemu inayovunjika katika athari za uongezaji, ndiyo sababu alkeni huongeza Br₂ na HBr kwa urahisi, na H₂ mbele ya kichocheo cha metali. Zichukulie tofauti hizi kama makadirio; wastani wa nishati za vifungo huchanganya thamani kutoka kwa molekuli nyingi tofauti.

Elektroni za pi zilizotawanyika na mipaka ya obiti mseto

Katika benzini, C₆H₆, kila kaboni ni sp² na ina obiti moja ya p isiyohaibridishwa iliyo pembe mraba na pete. Obiti sita sambamba za p hupishana kuzunguka pete nzima, kwa hivyo elektroni sita za π zimesambaa juu ya pete nzima badala ya kuwekwa katika vifungo vitatu maradufu. Vifungo vyote sita vya C–C vina urefu sawa, kati ya urefu wa kawaida wa kifungo cha pekee na wa kifungo maradufu.

Mwangwi hupanga upya elektroni za π na jozi pweke, kamwe si vifungo vya σ, kwa hivyo kwa atomi kama kaboni katika benzini muundo wowote halali unatoa uhaibridishaji ule ule; OpenStax inalieleza jambo hili wazi kwa benzini. Kuwa mwangalifu na atomi ambayo jozi pweke yake inakuwa kifungo cha π katika muundo mwingine, kama naitrojeni katika amidi: idadi ya vikoa vyake hubadilika kati ya miundo, na jiometri yake bapa inayoonekana inaonyesha kwamba ni sp². Utawanyiko ni eneo ambapo nadharia ya kifungo cha valensi inakuwa ngumu kutumia, na nadharia ya obiti za molekuli inatoa maelezo safi zaidi.

Nadharia ya kifungo cha valensi huoanisha kila elektroni katika kifungo au jozi pweke, kwa hivyo inatabiri kwamba O₂ haina elektroni zisizooanishwa. Kwa kweli oksijeni ya kimiminika huvutwa na sumaku, jambo linaloonyesha kwamba O₂ ina elektroni zisizooanishwa. Nadharia ya obiti za molekuli hujenga obiti zinazomilikiwa na molekuli nzima. Oda ya kifungo ni nusu ya tofauti kati ya elektroni katika obiti za kuunganisha na za kupinga uunganishaji. Kwa O₂, elektroni 12 za valensi zinatoa 8 za kuunganisha na 4 za kupinga uunganishaji, kwa hivyo oda ya kifungo ni (8 − 4)/2 = 2. Elektroni mbili za mwisho hukalia obiti mbili tofauti za π* kwa spini sambamba, jambo linaloeleza uparamagnetiki. Kwa N₂, (8 − 2)/2 = 3, inayolingana na kifungo chake cha mara tatu.

Makosa ya uhaibridishaji na jinsi ya kuyagundua

Makosa mengi hutokana na kuruka muundo wa Lewis au kuhesabu vikoa vibaya. Hesabu vifungo vya σ na jozi pweke kwenye atomi kwanza; uhaibridishaji hufuata kutoka kwa hesabu hiyo pekee.

• Kuhesabu vifungo vya π katika namba ya steriki. Vifungo vya σ na jozi pweke pekee ndivyo huhesabiwa kama vikoa.
• Kusahau jozi pweke, jambo linalofanya naitrojeni katika NH₃ ionekane sp² badala ya sp³.
• Kuhesabu kifungo maradufu kama vifungo viwili vya σ. Kila kifungo maradufu ni σ moja na π moja.
• Kuacha hidrojeni wakati wa kuhesabu vifungo vya σ katika fomula ya kiunzi au iliyofupishwa.
• Kudhani kila kaboni yenye kifungo maradufu ni sp². Kaboni ya kati ya CO₂, yenye vifungo viwili maradufu, ina vikoa viwili na ni sp.
• Kuamini kwamba muundo wa mwangwi hubadilisha uhaibridishaji wa atomi. Mwangwi husogeza elektroni za π, si vifungo vya σ.