sp³ хибридизация

В това видео ще разгледаме sp³-хибридизацията, която се среща при метана и етана; ще започнем от метана. Формулата му е CH₄, а за да начертая структурата на метана, ще започна с един въглероден атом. Той има 4 валентни електрона, които ще се свържат с водороден атом: всеки водород има по един валентен електрон. Начертаваме водородните атоми с по един валентен електрон и получаваме структурната формула по Люис Често можеш да я видиш по такъв начин: това са четирите връзки от въглерода към водород, като при метана всички тези връзки са равносилни по отношение на дължина и енергия на връзката. Да преминем към четирите валентни електрона на въглерода, представени чрез таблица. Ще повторя, че тези 4 валентни електрона трябва да са равносилни, и ще разгледаме електронната конфигурация на въглерода, за да ги намерим. Има позиция 1s с два електрона, значи два в 1s-орбиталата, още два в 2s-орбиталата, остават 2 електрона за 2p-орбиталите. Електронната конфигурация вероятно ти е позната, тя е ето такава. Разглеждаме тези 4 валентни електрона в нашия орбитален запис: тези 4 електрона са валентните електрони от външния електронен слой. От тази схема изглежда, сякаш въглеродът може да образува само 2 връзки, тъй като свободните електрони са 2, още повече и енергиите са различни, което внася противоречие между електронната конфигурация и експериментално потвърдената структурна формула. За да обясни това противоречие, химикът Линус Полинг извежда принципа на хибридизацията. Той най-напред казва така: можем да вземем единия от двата електрона от 2s-орбиталата и да го издигнем до 2p-орбиталата. Ще го направя и на нашата схема: взимам този електрон и го премествам в 2p-орбитала. Това е възбудено състояние. Тук вече въглеродът може да направи 4 връзки, но този електрон не е с еднаква енергия с останалите, затова Линус Полинг предлага друга идея: да подходим различно, като издигнем цялата 2s-орбитала. Взимаме тази s орбитала и увеличаваме енергията ѝ, като компенсираме с енергията от p-орбиталите: снишаваме р-орбиталите ето така. Новите р-орбитали са наравно с новата s-орбитала. Всяка от тези орбитали има по 1 електрон, но тъй като ще ги хибридизираме, те няма вече да се наричат s- и p- орбитали: това е хибридна орбитала sp³, също и смъкнатите p-орбитали вече са sp³ хибридни орбитали. Принципът е такъв: взимаме малко s-характер и малко от р-характера и ги хибридизираме заедно в напълно нови орбитали. Тъй като сме ги образували от една s-орбитала и три p-орбитали, наричаме това действие sp³-хибридизация. Това е sp³-хибридизация. Създадохме 4 нови, хибридни орбитали. Сега вече имаме търсената конфигурация, защото тя има 4 свободни електрона, с които въглеродът може да образува 4 връзки с равна енергия. Това е принципът на хибридизацията. Сега да си представим характера, или формата, на новата хибридна орбитала. Знаем, че s-орбиталата има сферична форма. Тук използваме една s-орбитала. Знаем и формата на p-орбиталата: тя е като гиричка, тук имаме 3 p-орбитали. Като хибридизираме една s-орбитала и три p-орбитали получаваме орбитала с междинна форма: с голяма фронтална издутина и по-малка задна издутина, ето така. Имаме четири такива. Да обобщим: имаме 4 sp³-хибридни орбитали, всяка от тях е заета с по един електрон: виждаме всяка от sp³-хибридните орбитали с нейния електрон, а получената хибридна орбитала съдържа 25 процента s-характер. Ще запиша и това: 25% s-характер и 75% p-характер в новата, хибридна орбитала. Причината е, че започнахме хибридизацията с 1 s-орбитала и 3 p-орбитали. Да се върнем на метана. Ще начертаем това, вече като знаем, че нашият въглерод е sp³-хибридизиран. Да нарисуваме този хибридизиран въглероден атом. Знаем, че нашият въглероден атом има четири sp³-хибридни орбитали: когато рисуваме тези орбитали, ще игнорираме по-малката задна издатина, за да не ни обърква. Така изглежда една от нашите орбитали: въглерод с sp³-хибридна орбитала. Тук е втората sp³-хибридна орбитала, тук идва третата, и накрая четвъртата. Да се върнем и на предишната картинка, за да покажем, че във всяка от тези хибридни орбитали има един валентен електрон. Тук също мога да поставя по един валентен електрон във всяка орбитала. Отбелязвам ги с точки. В случая имаме метан и въглеродният атом е свързан с четири водородни: всеки водород има нехибридна s-орбитала и един електрон в нея. Ще нарисувам и това със синьо: това е нехибридизирана s-орбитала, тя има сферична форма. всяка от тези водородни s-орбитали има по един валентен електрон, ще отбележа и тях с по една точка във всяка от четирите сини орбитали. Получихме рисунка на молекулата на метана: това е въглеродът, а тук са четирите водородни атома. Сега да помислим за връзката, която получихме: имаме припокриване на орбитали sp³-хибридна орбитала от въглерода се припокрива с нехибридна s-орбитала от водорода. това е челно припокриване, електроните им се споделят. Такъв тип припокриване в химията се нарича сигма връзка. Имаме още 3 такива сигма връзки в молекулата на метана. При тях припокриването е по оста между двата свързани атома. Сигма връзките са общо четири в молекулата на метана: тях преди нарекохме „единични връзки“, но тук можем да ги наречем и „сигма връзки“, защот в случая са с челно припокриване. Дойде ред да разгледаме молекулата на етана. ще разпиша нейната емпирична формула: C₂H₆, това са два въглеродни атома и шест водородни. Начертавам структурната формула. Когато мислим за хибридизация, подобно на тази при метана, въглеродният атом с 4 единични връзки ще е sp³-хибридизиран. Да припомня: този въглероден атом има четири единични връзки, той е sp³-хибридизиран. Можем да използваме същата логика и да я приложим към етана. Всеки от неговите въглеродни атоми има 4 единични връзки, т.е. е sp³-хибридизиран. Отбелязвам го в структурната формула и сега ще нарисувам молекулата с нейните орбитали. Трябва ми място. Щом всеки въглероден атом е sp³-хибридизиран, то всеки от двата въглерода има 4 sp³-хибридни орбитали. Сега ще нарисувам единия въглероден атом, като игнорирам малката задна издутина. Това са четирите му sp³-хибридни орбитали. Знаем, че вторият въглероден атом също е sp³-хибридизиран. Рисувам и неговите 4 sp³-хибридни орбитали, ето ги и тях за втория въглероден атом. Сега да поставим и електроните. В тази орбитала има един електрон, по един и в тази и в тази; и тук има един електрон, това е първият атом. И за втория въглероден атом поставям по един електрон във всяка орбитала. Сега можем да нарисуваме и водородните атоми. Знаем, че всеки водород има нехибридна s-орбитала с един валентен електрон, мога да го нарисувам така. Рисувам и останалите водородни атоми, общо шест на брой. Вече казахме, че сигма връзката е челно припокриване на орбитали. Тук имаме такова припокриване при връзката между двата въглеродни атома, разбира се, също и при останалите връзки. Можем да ги преоброим: имаме общо седем сигма връзки в молекулата на етана. Седем сигма връзки. Можем да ги потърсим и в структурната формула: и там има седем сигма връзки. Сега ще обърнем внимание на връзката между двата въглеродни атома: тя е сигма връзка и позволява свободно въртене около оста на тази връзка; въглеродните атоми могат да се въртят в пространството, да създават различни конформации на молекулата на етана, които ще видим в следващи уроци. И така, имаме свободно въртене около оста на сигма връзките. Ще запиша това, защото е важно: свободно въртене около сигма връзките. И накрая искам да отбележа още нещо за молекулата на етана: дължината на връзката. Дължината на връзката между двата въглеродни атома, ето тази дължина тук, е приблизително 1,54 ангстрьома, точното число може да се различава според източника, но е приблизително такава стойност. Нужно ни е да го знаем, защото ще сравним дължината на тази връзка въглерод-въглерод с дължината на връзката в други молекули по-нататък.