نگاه کلی
طبق قانون ، عناصر با تشکیل
پیوند با یکدیگر با رسیدن به آرایش هشت تایی
گاز نجیب بعد از خود به پایداری میرسند. اما ترکیباتی مهم وجود دارند که این قانون را مکررا نقض میکنند. در این ترکیبات اتمهایی وجود دارند که تعداد
الکترونهای لایه ظرفیت آنها بیشتر یا کمتر از هشت
الکترون است. برای توجیه ارتباط بین
آرایش الکترونی حالت اصلی یک
اتم و خواص ساختمانی مشاهده شده ترکیبی که این اتم تشکیل میدهد، دانشمندان مفهوم هیبرید شدن را مطرح کردهاند.
هیبرید شدن یک مفهوم نظری است که نواقص ساختمان لوئیس یعنی فقدان ارتباط بین ساختمان لوئیس و ساختار هندسی مولکول را بر طرف میکند.
فرآیند هیبریداسیون
در مولکولهایی مانند
که اتم مرکزی در حالت اصلی ،
اوربیتال نیمه پر (الکترون فرد) برای ایجاد پیوند با اتم دیگر در اختیار ندارد، برای تشکیل پیوند باید ابتدا به صورت برانگیخته در آید. به عنوان مثال در
حالت برانگیخته اتم یکی از الکترونهای اوربیتال 2s به تراز بالاتر یعنی 2p انتقال مییابد. بنابراین دو الکترون جفت نشدهای برای تشکیل دو پیوند در اختیار
قرار میگیرد. طبق
بررسیهای طیف سنجی هر دو پیوند
از نظر طول ، استحکام و انرژی ، همارز میباشند.
بنابراین
بریلیم در حالت برانگیخته با
کلر پیوند برقرار نکرده است، زیرا در این حالت یکی از پیوندها بین اوربیتال 2p کلر با اوربیتال 2s بریلیم و دیگری بین اوربیتال 2p اتم دیگر و اوربیتال 2p بریلیم ایجاد میشود و در این صورت پیوندها با هم ، همارز نخواهند بود. ساختمان این
مولکول را میتوان با این فرض توضیح داد که یک اوربیتال 2s و یک اوربیتال 2p اتم بریلیم با یکدیگر در آمیخته و به صورت دو اوربیتال هیبریدی در میآیند که با یکدیگر هم ارز هستند. سپس اوربیتال 2p هر اتم کلر با هر کدام از این اوربیتالهای هیبریدی همپوشانی کرده و مولکول کلرید بریلیم ایجاد میکنند.
انواع اوربیتال هیبریدی
اوربیتال هیبریدی sp
اوربیتالهای sp از درهم آمیختن یک اوربیتال p و یک اوربیتال s حاصل میشوند. این اوربیتالها 50% خاصیت p داشته ، با یکدیگر همارز بوده و تحت زاویه 180 درجه نسبت به یکدیگر قرار گرفتهاند. این اوربیتالها در امتداد محور x هماز اوربیتالهای s و هماز اوربیتالهای p کشیدهترند. بنابراین در تشکیل پیوند همپوشانی اوربیتالی بیشتری نسبت به اوربیتالهای خالص p یا s ایجاد میکنند.
اوربیتالهای sp2
این اوربیتالها از
هیبرید شدن دو اوربیتال p و یک اوربیتال s حاصل میشوند. هر یک از آنها 3/1 خاصیت s و 3/2 خاصیت p دارند. شکل آنها مثلثی مسطح بوده و زاویه بین هر دو پیوند 120 درجه میباشد. تمام مولکولهایی که در آنها اتم مرکزی از هیبریداسیون sp
2 استفاده کرده است، دارای شکل مثلثی (سه ضلعی) میباشند.
اوربیتالهای هیبریدی sp3
هیبریداسیون sp
3 یک نوع مهم و متداول میباشد. این اوربیتالها از هیبرید شدن یک اوربیتال s و 3 اوربیتال p تشکیل میشوند. هر 4 اوربیتال هیبریدی همارز بوده هر کدام ¼ خاصیت s و ¾ خصلت p دارند. اوربیتالهای هیبریدی sp
3 به سوی گوشههای یک چهار وجهی منتظم جهتگیری میکنند. شکل مولکول حاصل از اتم مرکزی دارای اوربیتال sp
3 ، چهاروجهی بوده و تمام زوایا برابر با ´28 و ˚109 است.
- اوربیتال هیبریدی sp3 با یک جفت الکترون غیر پیوندی :
در مولکولهایی مانند میتوان تصور کرد که اتم نیتروژن از اوربیتالهای هیبریدی sp3 استفاده کرده است، که یکی از آنها توسط یک جفت الکترون غیر مشترک اشغال شده است. اتمهای مولکول یک هرم مثلثی تشکیل میدهند. ولی آرایش 4 اوربیتال N تقریبا به صورت یک 4 وجهی است و زاویه پیوند برابر با ´107 و ˚3 میباشد.
- اوربیتال هیبریدی sp3 با دو جفت الکترون غیر پیوندی :
اتم اکسیژن هم در مولکول از اوربیتالهای sp3 استفاده میکند که در آن دو اوربیتال هیبریدی توسط دو جفت الکترون غیر مشترک اشغال شدهاند. زوایای اتم و ˚104.5 میباشد که این زاویه به ˚109 نزدیکتر است تا به ˚90 ، که در صورت بکار رفتن اوربیتال خالص p ، انتظار میرفت.
اوربیتالهای d2sp3
این اوربیتالها از هیبرید شدن 2 اوربیتال d و یک اوربیتال s و 3 اوربیتال p بوجود میآیند. 6 اوربیتال هیبریدی ایجاد شده 6/1 خصلت s و 6/3 خصلت p ، و 6/2 خصلت d دارند. هر 6 اوربیتال با یکدیگر همارز بوده و به سوی گوشههای یک هشت وجهی منتظم جهتگیری دارند.
- اوربیتال هیبریدی d2sp3 با یک جفت الکترون غیر پیوندی :این اوربیتال دارای شکل هرم ، با قاعده مربع خواهد بود.
- اوربیتال هیبریدی d2sp3 با دو جفت الکترون غیر پیوندی :این اوربیتال دارای شکل مربع مسطح خواهد بود.
اوربیتالهای هیبریدی dsp3
اوربیتال هیبریدی dsp
3 از یک اوربیتال d و یک اوربیتال s و 3 اوربیتال p حاصل میشود. اوربیتال اتمی dx
2-y
2 ، در تشکیل این اوربیتال هیبریدی دخالتی ندارد. پنج اوربیتال حاصل با یکدیگر همارز نیستند. این اوربیتالها در گوشههای یک دو هرمی مثلثی جای میگیرند. زاویه بین پیوندهایی که در قاعده قرار گرفتهاند ˚120 و پیوندهای خارج از قاعده ˚90 و زاویهای که دو راس هرم را به هم وصل میکند ˚180 میباشد.
نکات مهم در هیبریداسیون اوربیتالها
- محاسبات نشان میدهد که استفاده از اوربیتالهای هیبریدی به تشکیل پیوندهای قویتر منجر میشود.
- انرژی لازم برای ایجاد حالت برانگیخته و هم چنین انرژی لازم برای هیبرید شدن ، بیشتر از انرژی آزاد شده به هنگام تشکیل دو پیوند نسبتا قوی کوالانسی است.
- اوربیتالهایی که در آنها دو نوع معینی از هیبریداسیون بکار رفته است، باید از لحاظ انرژی نسبتا به هم نزدیک باشند.
- اوربیتالهایی که معمولا در تشکیل پیوند بکار میروند اوربیتالهای d , p , s لایه خارجی و در برخی موارد اوربیتال d لایه ماقبل لایه خارجی هستند. به استثنای این اوربیتالهای d داخلی ، الکترونهای اوربیتالهای داخلی معمولا آن قدر به هسته وابسته هستند که نمیتوانند در تشکیل پیوند شرکت کنند.
مباحث مرتبط با عنوان