هیبریداسیون و اوربیتالهای هیبریدی – به زبان ساده

مقدمه

$$1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{2}$$

تنها راهی که بتوان پیوند در $$CH_4$$ را توضیح داد این است که بگوییم اوربیتال‌ $$2s$$ و سه اوربیتال $$2p$$ با یکدیگر ترکیب می‌شوند تا ۳ اوربیتال هیبریدی $$sp^3$$ را با انرژی برابر تولید کنند. در نتیجه، آرایش الکترونی زیر را خواهیم داشت:

هیبریداسیون $$sp^ 3$$

هیبریداسیون یک اوربیتال s و تمامی سه اوربیتال p $$(p_x , p _ y, p_z)$$،‌ سبب بوجود آمدن چهار اوربیتال $$sp^3$$ هیبرید خواهد شد. این نوع از اوربیتال‌ها، با زاویه پیوند 109/5 درجه در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. چنین آرایشی، هندسه چهاروجهی را بدست می‌دهد.

هیبریداسیون در متان

فیلم آموزش باندینگ و پیوندها در شیمی‌ آلی در فرادرس

کلیک کنید

هیبریداسیون $$sp^2$$

هیبریداسیون $$sp^2$$ در توضیح ساختار سه‌ضلعی مسطح کاربرد دارد. در این هیبریداسیون، اوربیتال $$2s$$ و دو اوربیتال $$2p$$، در اثر هیبرید شدن، سه اوربیتال $$sp$$ را تشکیل می‌دهند که هرکدام شامل 67 درصد خاصیت p و ۳۳ درصد خاصیت s هستند. قرارگیری این اوربیتال‌های هیبرید به گونه‌ای است که یک ساختار سه‌ضلعی مسطح را تشکیل می‌دهند. در این میان، اوربیتال p بدون تغییر باقی می‌ماند و بر صفحه سه اوربیتال، عمود خواهد بود.

هیبریداسیون $$sp^2$$ در آلومینیوم تری‌هیدرید

هیبریداسیون $$s p ^ 2$$ در اتن

هیبریداسیون مشابه در هرکدام از اتم‌های کربن در اتن نیز روی می‌دهد. برای هر اتم کربن، یک اوربیتال $$2s$$ و دو اوربیتال $$2p$$، هیبرید می‌شوند تا سه اوربیتال $$sp^2$$ را بسازند. این اوربیتال‌های هیبرید، خود را در ساختار یک سه‌ضلعی مسطح قرار می‌دهند. برای هر اتم کربن، دو اوربیتال sp با دو اوربیتال $$1s$$ در هیدروژن از طریق هم‌پوشانی $$s-sp$$ پیوند تشکیل می‌دهند. اوربیتال‌های $$sp^2$$ باقی‌مانده در هر کربن،‌ با یکدیگر پیوند تشکیل می‌دهند. در اثر این فرآیند، از طریق هم‌پوشانی $$sp^ 2 - sp^ 2$$،‌ پیوندی بین هر اتم کربن برقرار خواهد شد.

هیبریداسیون $$sp$$

هیبریداسیون $$sp$$، وجود ساختار خطی در مولکول را توضیح می‌دهد. در این مدل، اوربیتال $$2s$$ و یکی از اوربیتال‌های $$2p$$، برای تشکیل دو اوربیتال $$sp$$ هیبرید می‌شوند که هرکدام، دارای 50 درصد خاصیت s و ۵۰ درصد خاصیت p هستند.

هر دو اوربیتال، به گونه‌ای در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند که ساختاری خطی با زاویه ۱۸۰ درجه بسازند. این نوع از آرایش، دافعه الکترون‌ها را به حداقل می‌رساند.

با توجه به این‌که تنها از یک اوربیتال p استفاده شد، همچنان دو اوربیتال $$2p$$ دست‌نخورده داریم که می‌توانند مورد استفاده قرار بگیرند. این اوربیتال‌ها نسبت به یکدیگر و نسبت به دو اوربیتال $$sp$$ به صورت عمود قرار دارند.

هیبریداسیون $$sp$$ کربن در اتین

• یک الکترون را از اوربیتال پرشده $$2s$$ به اوربیتال خالی $$2p$$ ارتقا می‌دهیم.
• اوربیتال $$2s$$ را با یک اوربیتال $$2p$$، برای تشکیل دو اوربیتال هیبرید $$sp$$ با انرژی برابر، ترکیب می‌کنیم. در نهایت، دو اوربیتال نیمه‌پرشده $$2p$$ باقی خواهند ماند.

تاثیر هیبریداسیون بر قدرت و طول پیوند

فیلم آموزش شیمی عمومی در فرادرس

کلیک کنید

بحث در خصوص قدرت پیوند

بحث در خصوص طول پیوند

دو جفت‌الکترون اشتراکی (یک سیگما و یک پای)، هسته اتم کربن را در مقایسه با یک پیوند یگانه سیگما، بیشتر به خود جذب می‌کنند. به همین شکل، سه جفت‌الکترون (یک سیگما و دو پای) تاثیر بیشتری خواهند داشت. جدول زیر، متوسط طول پیوند را برای انواع پیوند در کربن نشان می‌دهد.

هیبریداسیون نیتروژن

در تری‌متیل آمین، سه گروه متیل $$(CH_3)$$، به نیتروژن مرکزی متصل شده‌اند تا یک مولکول هرمی مثلثی را با پیوندهای $$C-N-C$$ و زاویه پیوند 108 درجه تشکیل دهند. این زاویه پیوند، قدری با زاویه ۱۰۹/۵ درجه در یک چهاروجهی تفاوت دارد زیرا جفت‌الکترون‌های ناپیوندی، حجم بیشتری را نسبت به الکترون‌های پیوندی اشغال می‌کنند. مطابق تصویر زیر، الکترون‌های ناپیوندی، الکترون‌های پیوندی را دفع و زاویه پیوند $$C-N-C$$ را فشرده‌تر می‌کنند.

برخلاف اتم کربن، نیتروژن برای دستیابی به قاعده اکتت، بدون هیبرید کردن اوربیتال‌ها، می‌تواند تا سه پیوند سیگما را با هیدروژن یا سایر اتم‌ها تشکیل دهد. البته، اوربیتال هیبرید $$sp^3$$،‌ ۲۵ درصد خاصیت s دارد و هم‌پوشانی این اوربیتال‌ هیبرید با اوربیتال $$1s$$ در اتم هیدروژن، موثرتر از همپوشانی یک اوربیتال $$2p$$ از نیتروژن و یک اوربیتال $$1s$$ از هیدروژن است. بار دیگر می‌بینیم که درصد بیشتر خاصیت s در اوربیتال هیبرید $$sp^3$$، پیوند قوی‌تر و مولکول پایدارتری را بدست می‌دهد.

هیبریداسیون اکسیژن

تشکیل اوربیتالهای هیبریدی در یک اتم اکسیژن نیز به همان شکل اتم کربن انجام می‌شود با این تفاوت که اکسیژن، دو الکترون بیش‌تر از اتم کربن برای توزیع در اوربیتالهای هیبریدی خود دارد. همانند تصویر زیر، اکسیژن، شش الکترون والانس (ظرفیت) برای توزیع در ۴ اوربیتال هیبریدی $$sp^ 3$$ دارد. چهار اوربیتال اطراف اکسیژن، یک چهاروجهی را می‌سازند. دو اوربیتال هیبرید $$sp^3$$، شامل جفت‌الکترون هستند. دو اوربیتال هیبرید دیگر،‌ هر کدام یک الکترون دارند که می‌توانند یک پیوند سیگما با یک اتم همچون هیدروژن یا کربن تشکیل دهند.

اکسیژن می‌تواند با تشکیل دو پیوند سیگما با هیدروژن، بدون هیبرید کردن اوربیتال‌های خود،‌ به قاعده اکتت دست پیدا کند. البته، هم‌پوشانی اوربیتال $$2p$$ از اکسیژن با اوربیتال $$1p$$ از هیدروژن، پیوند قدرت‌مندی همچون همپوشانی یک اوربیتال $$sp^3$$ با اوربیتال $$1s$$ بدست نمی‌دهد. همانطور که در مولکول آمونیاک دیدیم، درصد خاصیت s در اوربیتال هیبرید $$sp^3$$، پیوند قوی‌تر و مولکول پایدارتری را ایجاد می‌کند.

دو اوربیتال $$sp^2$$، دارای یک جفت‌الکترون هستند. دیگر اوربیتال‌ $$sp^2$$، یک الکترون تنها دارد که می‌تواند پیوندی از نوع سیگما با اتمی همچون کربن ایجاد کند. الکترون تنها در اوربیتال $$2p$$، یک پیوند پای با دیگر اوربیتال $$2p$$ در اتمی همچون کربن، ایجا می‌کند.

متانال $$(CH_2O)$$، اتمی به صورت $$sp^2$$ هیبرید شده دارد. جفت‌الکترون ناپیوندی $$sp^2$$، در صفحه اتم‌های کربن و هیدروژن قرار می‌گیرد. متانال، ساختاری مشابه اتن دارد.

جمع‌بندی

اگر این مطلب برای شما مفید بوده‌ است،‌ آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های مهندسی شیمی
• آموزش آنالیز تابع موج (Wave Function) با نرم افزار Multiwfn
• اوربیتال مولکولی — به زبان ساده
• پیوند فلزی — به زبان ساده

^^