Gibridlanish, sigma va pi bog'lar: molekula shakli ortidagi orbitallar

Bog'lar orbitallarning qoplanishi sifatida

Valent bog'lar nazariyasi kovalent bog'ni ikki atom orbitallari qoplanadigan sohadagi qarama-qarshi spinli ikki elektron sifatida tavsiflaydi. Qoplanish elektron zichligini yadrolar orasida to'playdi, u yerda u ikkala yadroni tortadi. Qoplanish qanchalik ko'p bo'lsa, bog' odatda shunchalik kuchli bo'ladi.

Qoplanish ikki usulda sodir bo'lishi mumkin. Sigma (σ) bog'da orbitallar uchma-uch, yadrolarni tutashtiruvchi chiziq bo'ylab uchrashadi, shuning uchun elektron zichligi shu o'qda eng katta bo'ladi. Pi (π) bog'da ikkita parallel p orbital yonma-yon qoplanadi, shuning uchun zichlik o'qning yuqorisi va pastida joylashadi, o'qni o'z ichiga olgan tugun tekisligi bilan. Har bir yakka bog' σ bog'dir.

Nima uchun uglerodning 2s va 2p orbitallari aralashishi kerak

Uglerodning valent orbitallari bitta 2s va uchta 2p. Uchta p orbital x, y va z bo'ylab, bir-biriga 90° burchak ostida yo'nalgan. Agar metanning to'rtta C–H bog'i ulardan bevosita foydalanganda, uchta bog' 90° ostida bo'lib, bittasi boshqacha bo'lardi. Aslida esa CH₄ dagi to'rtta bog'ning hammasi bir xil va bir-biridan 109.5° da joylashgan.

Gibridlanish bu muammoni hal qiladi. 2s orbitalni uchta 2p orbitalning hammasi bilan matematik birlashtirish tetraedr uchlariga yo'nalgan to'rtta ekvivalent sp³ gibrid orbitalni beradi. Gibrid orbitallar soni har doim aralashtirilgan atom orbitallari soniga teng. Har bir sp³ orbitalda vodorodning 1s orbitali bilan yaxshi qoplanadigan bitta katta bo'lak bor, shuning uchun gibrid orbitallar kuchli σ bog'lar hosil qiladi.

Sterik son bo'yicha gibridlanishni aniqlash

Gibridlanish atom atrofidagi elektron domenlar sonidan, ya'ni VSEPR dagi sterik sonidan kelib chiqadi. Yolg'iz juftlar domen sifatida sanaladi, karrali bog' esa bir marta sanaladi. Sterik sonni bilsangiz, gibridlanish aniqlanadi.

Yolg'iz juftlar ham gibrid orbitallarni egallaydi va bog'larni bir-biriga yaqinroq suradi. OpenStax Chemistry 2e (8.2 bo'lim) ammiakdagi H–N–H burchagi uchun 107.3° va suvdagi H–O–H uchun 104.5° ni beradi, ikkalasi ham sp³ bo'lib, valent burchaklari ideal 109.5° dan kichik.

• Sterik son 2: sp, chiziqli, 180°. Bitta s va bitta p aralashadi, ikkita gibridlanmagan p orbital qoladi. Har bir sp orbital 50% s xarakterga ega.
• Sterik son 3: sp², tekis uchburchak, 120°. Bitta s va ikkita p aralashadi, tekislikka perpendikulyar bitta p orbital qoladi. 33% s xarakter.
• Sterik son 4: sp³, tetraedrik, 109.5°. Bitta s va uchta p aralashadi, hech narsa qolmaydi. 25% s xarakter.
• 5 va 6 sterik sonlar ko'pincha OpenStax dagi kabi sp³d va sp³d² deb belgilanadi. Ularni geometriya belgilari deb qarang; quyidagi cheklovlarga qarang.

Qo'sh va uch karrali bog'lar sigma plyus pi sifatida

Etilen H₂C=CH₂ da har bir uglerodning uchta domeni bor va u sp². Uchta sp² orbital ikkita vodorod va boshqa uglerod bilan σ bog'lar hosil qiladi. Ikki ugleroddagi qolgan p orbitallar parallel va yonma-yon qoplanib π bog' hosil qiladi. Demak, qo'sh bog' bitta σ bog' va bitta π bog'dan iborat. Asetilen HC≡CH dagi kabi uch karrali bog' bitta σ bog' va ikkita π bog'dan iborat, ular sp uglerodlardagi bir-biriga to'g'ri burchak ostida joylashgan ikki juft gibridlanmagan p orbitaldan hosil bo'ladi.

π bog' qo'sh bog'lar nima uchun erkin aylanmasligini tushuntiradi. Bir uchini 90° ga burish p orbitallarni perpendikulyar qilib, π qoplanishni buzadi. Shuning uchun sis-2-buten va trans-2-buten xona haroratida bir-biriga aylanmaydigan turli birikmalar, C–C yakka bog'ining ikki uchi esa oson aylanadi.

Yechilgan misollar: akrilonitril va aspirindagi bog'larni sanash

σ va π bog'larni sanash uchun har bir vodorodni o'z ichiga olgan to'liq Lyuis tuzilmasini chizing. So'ng har bir bog' chizig'i aynan bitta σ bog' beradi, har bir qo'sh bog' bitta π bog' qo'shadi, har bir uch karrali bog' esa ikkitasini qo'shadi.

1-yechilgan misol. Akril tolalar olish uchun ishlatiladigan akrilonitril, H₂C=CH–C≡N. σ bog'lar: uchta C–H, C=C da bitta, C–C da bitta va C≡N da bitta, jami 6 ta. π bog'lar: C=C da bitta va C≡N da ikkita, jami 3 ta. Gibridlanish: qo'sh bog'ning ikkala uglerodi ham uchta domenga ega va sp²; nitril uglerodida ikkita domen bor va u sp; bitta bog' domeni va bitta yolg'iz jufti bor azot ham sp. Tekshiruv sifatida valent elektronlar 3(4) + 3(1) + 5 = 20: 9 ta bog' 18 tasini, azotning yolg'iz jufti qolgan 2 tasini tutadi.

2-yechilgan misol. Benzol halqasida navbatlashuvchi qo'sh bog'lar bilan chizilgan aspirin, C₉H₈O₄. σ bog'lar: halqada 6 ta C–C, halqada 4 ta C–H, karbon kislota guruhi va uning halqa bilan bog'ida 4 ta (halqa C–C, C=O, C–O va O–H) hamda murakkab efir guruhida 7 ta (halqa C–O, O–C, C=O, C–CH₃ va uchta C–H). Bu 6 + 4 + 4 + 7 = 21 ta σ bog'ni beradi. π bog'lar: halqada 3 ta va har bir C=O da 1 tadan, jami 5 ta. Tekshiruv: aspirinda 21 ta atom va bitta halqa bor, har qanday bog'langan tuzilmada esa (atomlar − 1 + halqalar) ta σ bog' bo'ladi, 21 − 1 + 1 = 21. Elektronlar soni ham mos keladi: 26 ta bog' 52 ta elektronni tutadi, to'rtta kislorod sakkizta yolg'iz juftni, ya'ni 16 ta elektronni tutadi va 9(4) + 8(1) + 4(6) = 68. Sakkizta uglerod sp²; faqat metil uglerodi sp³.

Pi bog' sigma bog'ga nisbatan qanchalik kuchli?

OpenStax Chemistry 2e ning 7.3-jadvalidagi o'rtacha bog' energiyalari ikki atom orasiga bog' qo'shish kamayib boruvchi samara berishini ko'rsatadi. Uglerod–uglerod bog'lari uchun: C–C, 1.54 Å va 345 kJ/mol; C=C, 1.34 Å va 611 kJ/mol; C≡C, 1.20 Å va 837 kJ/mol.

3-yechilgan misol. Ayirish har bir qo'shilgan π bog' uchun taxminiy energiyani beradi. Birinchi π bog' 611 − 345 = 266 kJ/mol qo'shadi, ikkinchisi esa 837 − 611 = 226 kJ/mol qo'shadi. Ikkalasi ham C–C σ bog'ining 345 kJ/mol idan kichik, chunki yonma-yon qoplanish uchma-uch qoplanishdan kuchsizroq. Qo'sh bog' yakka bog'dan ikki marta emas, atigi 1.77 marta kuchli. Birikish reaksiyalarida aynan kuchsizroq π bog' uziladi, shuning uchun alkenlar Br₂ va HBr ni, metall katalizator ishtirokida esa H₂ ni oson biriktiradi. Bu farqlarni baho deb qarang; o'rtacha bog' energiyalari ko'plab turli molekulalardan olingan qiymatlarni birlashtiradi.

Delokallangan pi elektronlar va gibrid orbitallar chegaralari

Benzol C₆H₆ da har bir uglerod sp² va halqaga perpendikulyar bitta gibridlanmagan p orbitalga ega. Oltita parallel p orbital halqa bo'ylab to'liq qoplanadi, shuning uchun oltita π elektron uchta qo'sh bog'da qotib qolmasdan, butun halqa bo'ylab tarqaladi. Oltita C–C bog'ning hammasi bir xil uzunlikda, odatdagi yakka va qo'sh bog' uzunliklari orasida.

Rezonans π elektronlar va yolg'iz juftlarni qayta joylashtiradi, hech qachon σ bog'larni emas, shuning uchun benzoldagi uglerodlar kabi atomlar uchun har qanday to'g'ri tuzilma bir xil gibridlanishni beradi; OpenStax buni benzol uchun alohida ta'kidlaydi. Yolg'iz jufti boshqa tuzilmada π bog'ga aylanadigan atom, masalan amiddagi azot bilan ehtiyot bo'ling: uning domenlar soni tuzilmalar orasida o'zgaradi va kuzatiladigan tekis geometriyasi uning sp² ekanini ko'rsatadi. Delokallanish valent bog'lar nazariyasi noqulay bo'lib qoladigan soha va molekulyar orbitallar nazariyasi aniqroq tavsif beradi.

Valent bog'lar nazariyasi har bir elektronni bog'da yoki yolg'iz juftda juftlaydi, shuning uchun u O₂ da juftlashmagan elektronlar yo'q deb bashorat qiladi. Aslida suyuq kislorod magnitga tortiladi, bu O₂ da juftlashmagan elektronlar borligini ko'rsatadi. Molekulyar orbitallar nazariyasi butun molekulaga tegishli orbitallarni quradi. Bog' tartibi bog'lovchi va bo'shashtiruvchi orbitallardagi elektronlar farqining yarmiga teng. O₂ uchun 12 ta valent elektron 8 ta bog'lovchi va 4 ta bo'shashtiruvchi elektronni beradi, shuning uchun bog' tartibi (8 − 4)/2 = 2. Oxirgi ikki elektron parallel spinlar bilan ikkita alohida π* orbitalni egallaydi, bu paramagnetizmni tushuntiradi. N₂ uchun (8 − 2)/2 = 3, bu uning uch karrali bog'iga mos keladi.

Gibridlanish xatolari va ularni qanday aniqlash

Ko'pchilik xatolar Lyuis tuzilmasini o'tkazib yuborishdan yoki domenlarni noto'g'ri sanashdan kelib chiqadi. Avval atomdagi σ bog'lar va yolg'iz juftlarni sanang; gibridlanish faqat shu sanoqdan kelib chiqadi.

• π bog'larni sterik songa qo'shish. Domen sifatida faqat σ bog'lar va yolg'iz juftlar sanaladi.
• Yolg'iz juftlarni unutish, bu NH₃ dagi azotni sp³ o'rniga sp² qilib ko'rsatadi.
• Qo'sh bog'ni ikkita σ bog' deb sanash. Har bir qo'sh bog' bitta σ va bitta π.
• Skelet yoki qisqartirilgan formulada σ bog'larni sanashda vodorodlarni tushirib qoldirish.
• Qo'sh bog'li har bir uglerod sp² deb faraz qilish. Ikkita qo'sh bog'li CO₂ ning markaziy uglerodi ikkita domenga ega va sp.
• Rezonans tuzilmasi atomning gibridlanishini o'zgartiradi deb ishonish. Rezonans σ bog'larni emas, π elektronlarni siljitadi.