Решени примери: Намиране на хибридизацията на атоми в органични молекули

След като вече разбираме състоянията на хибридизация, да направим няколко примера, за да определим типа хибридизация и да предположим геометрията на всеки от атомите в молекулата, освен на водородните. Да започнем с този въглероден атом. Бързият начин да определим типа хибридизация, е да разгледаме връзките: този въглероден атом има двойна връзка, значи трябва да е sp²-хибридизиран. Ако той наистина е в sp²-хибридно състояние, то знаем, че геометрията на атомите около него е триъгълна, в една равнина, с ъгли на връзката около 120 градуса. Следващият въглероден атом също има двойна връзка, значи и той е в sp²-хибридно състояние с триъгълна равнинна геометрия. Сега да преминем към третия въглероден атом, тук. Той има само единични връзки около себе си и по бързия начин разбираме, че трябва да е в sp³-хибридно състояние. Щом този въглероден атом е sp³-хибридизиран, то геометрията на атомите около него е тетраедър с идеални ъгли на връзката от ~109,5 градуса около този въглерод. Сега преминаваме на следващия въглероден атом: той е свързан чрез тройна връзка със съседния му атом и по бързия начин определяме, че той трябва да е в sp-хибридно състояние; следователно геометрията ще бъде линейна, с ъгъл на връзката от 180 градуса. Същото е и за последния въглероден атом: той има тройна връзка и също трябва да е в sp-хибридно състояние с линейна геометрия, както е на чертежа, между тези два въглеродни атома има права линия. Сега да преброим общия брой на сигма- и по-връзките в тази молекула. В предишното видео говорехме и за тях. Най-напред да преброим сигма-връзките. Ще започнем с първия въглероден атом. Това е първата му сигма-връзка, тук има втора, а във двойната връзка знаем, че се съдържа една сигма-връзка и една пи-връзка. Ще отбележа и пи-връзките, но с червен цвят. Вече отбелязах тази сигма-връзка със синьо, а другата ще бъде пи-връзка. И така, да продължим с отбелязването на връзките. Знам, че тази единична връзка е сигма-връзка, както и тази, всички единични връзки тук са сигма-връзки. Стигнах до тройната връзка: знам, че една от връзките в нея е сигма-връзка, а другите две са пи-връзки. Отбелязвам двете пи-връзки. Накрая остана само една връзка и тя е единична, тоест е сигма-връзка. Като преброиш всички сигма-връзки, трябва да получиш 10. Отбелязвам преброените: 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 8, 9, 10. Имаме общо 10 сигма-връзки. Има също и 3 пи-връзки в тази молекула. За нея можем да намерим състоянията на хибридизация също и чрез използване на стерично число. Сега ще го направим набързо. Връщам се на първия въглероден атом, за да намеря неговото състояние на хибридизация, като използвам стеричното число. Ще отбелязвам със зелено: той е равен на броя на сигма-връзките плюс броя на свободните електронни двойки. Около този въглероден атом има 3 сигма-връзки. Стеричното число е 3+0 = 3, следователно са нужни 3 хибридни орбитали, като sp²-хибридизацията дава 3 хибридни орбитали. Сега за третия въглероден атом: той има 4 единични връзки, значи стеричното му число е 4 сигма-връзки плюс 0 свободни електронни двойки, това прави 4, стерично число 4, нужни са 4 хибридни орбитали; имам 4 sp³-хибридизирани орбитали. И накрая да разгледаме последния въглероден атом чрез стеричното число. Стеричното му число е равно на броя сигма-връзки плюс броя свободни електронни двойки. Около този въглерод има две сигма-връзки, нула свободни електронни двойки, това е стерично число 2 и са нужни 2 хибридизирани орбитали, които се получават чрез sp-хибридизация. Също както получихме и преди. И така, да преминем към следващия пример; ще използваме подобен анализ. Преди това да забележим, че тук не разгледах водородните атоми, зашото водородът е свързан винаги към един друг атом и геометрията му няма варианти. Сега да преминем към този пример: молекулата е на диетилов етер. Започваме с този въглероден атом. По бързия начин забелязваме, че около него има само единични връзки. Това са само сигма-връзки, от което веднага знаем, че този въглероден атом е sp³-хибридизиран с тетраедрална геометрия. Записвам това. Сега да погледнем следващия въглерод: при него ситуацията е същата, около него има само сигма-, или единични, връзки. Затова този атом също е sp³-хибридизиран и геометрията му е тетраедрална. Сега да разгледаме кислородния атом, за да определим хибридизацията и геометрията му, ще използваме стеричното число. Нека пресметнем стеричното число на кислородния атом. Броим сигма-връзките: тази единична връзка е сигма-връзка, тук има още една, значи общо две сигма-връзки, към тях добавям броя на свободните електронни двойки на атома, тези две двойки. И така, имам две свободни електронни двойки, стеричното число е 2 + 2 = 4. Нужни са 4 хибридизирани орбитали при кислородния атом. Знаем, че толкова се получават при sp³-хибридизацията, следователно този кислород е sp³-хибридизиран. Около него има четири sp³-хибридизирани орбитали. Сега да погледнем геометрията на този кислород. Има четири електронни групи около него, всяка от които се намира в sp³-хибридизирана орбитала. Макар гометрията на електронните групи да е тетраедрална, това не се отнася за цялостната геометрия около този кислороден атом. Ако игнорираме свободните електронни двойки, виждаме, че тази геометрия е ъглова; макар, че самият кислороден атом е sp³-хибридизиран, неговата геометрия не е тетраедрална, тя е ъглова. И така, поради симетрията на тази молекула, този въглероден атом тук е същият като втория: той е sp³-хибридизиран, а последният въглероден атом е аналогичен на първия, той също е sp³-хибридизиран. Тук симетрията много ни улесни. Сега да направим още един пример. Отново целта ни е да установим типа хибридизация и геометриите на всички атоми, освен на водородните. Отново ще започнем с първия въглероден атом. Ето този. Целта ни е да определим типа хибридизация, а бързият начин за това е да забележим, че има двойна връзка към него. Това говори за sp²-хибридизация, следователно геометрията е триъгълна в равнина. Записвам: триъгълно-равнинна. Друг начин да определим това е като изчислим стеричното число. То е равно на броя на сигма-връзките, тук виждаме две единични връзки, а в двойната връзка между въглерода и кислорода знаем, че има една сигма-връзка и другата е пи-връзка, която отбелязвам с червено. Общо сигма връзките на този въглерод са три, към тях добавям 0 свободни електронни двойки и получавам стеричното число 3. То отговаря на три хибридни орбитали, това е sp²-хибридизация. Сега да преминем към следващия въглероден атом. Около него виждам само единични връзки, значи ще е в sp³-хибридизация с тетраедрална геометрия. Отбелязвам това. Същото важи и за този въглероден атом, и той има само сигма-връзки, значи е sp³-хибридизиран с тетраедрална геометрия. Накрая да разгледаме азотния атом. За да намеря неговия тип хибридизация, мога да използвам стеричното число. И така, стеричното число е равно на броя сигма-връзки около този азотен атом, тук има сигма-връзка, това е единична връзка, тук има още една, и още една; имам общо три сигма-връзки, към тях добавям едната свободна електронна двойка. 3+1 дава стеричното число 4. Това изисква 4 хибридизирани орбитали, което отговаря на sp³-хибридизация. Намерихме, че този азотен атом е sp³-хибридизиран, но неговата геометрия не е тетраедрална. Вече видяхме подобна ситуация в предишен видеоурок, където атомът има три сигма-връзки и една свободна електронна двойка, намираща се в sp³-хибридна орбитала. Като погледнем геометрията, която се образува без тази свободна електронна двойка, тъй като тя винаги се игнорира при молекулната геометрия, виждаме такава форма: азотният атом е свързан с 3 други атома: въглероден, водороден и още един водороден. Четирите атома са подредени под формата на триъгълна пирамида. Геометрията около този азот е триъгълно-пирамидална. Пропускам кислородния атом, тъй като е свързан само с един друг атом. Това бяха три примера на органична хибридизация. Упражни се с още!