sp3-хибридни орбитали и сигма връзки

Нека си припомним това, което вече знаем за орбиталите, и което разгледахме по-рано в редовния плейлист по химия. Да приемем, че това е ядрото на нашия атом, което е много малко, а около него имаме нашата първа орбитала, 1s орбиталата. Може да разглеждаш 1s орбиталата като нещо подобно на облак около ядрото. 1s орбиталата може да побере два електрона. Първият електрон се намира в 1s-орбиталата, и след това и вторият електрон също ще бъде тук. Водородът например има само един електрон, който се намира в 1s. Хелият има един повече, който също ще бъде в 1s орбиталата. След като тя е запълнена, се прехвърляме на 2s орбиталата. Отиваме в 2s орбиталата. Тя може да бъде разгледана като обвивка около 1s орбиталата. Трудно е да си представиш всичко това с традиционния ни начин на мислене. Може да я разглеждаш като вероятностен облак, където евентуално се намират електроните. За да го онагледим – просто си представи нещо като облак, обгърнал 1s орбиталата. Представи си, че е нещо като мъглива обвивка около 1s орбиталата. Тоест намира се около 1s орбиталата, и следващият електрон ще бъде там. Тогава четвъртият електрон също ще се намира там. Нарисувах тези стрелки, насочени нагоре и надолу, защото първият електрон, който се намира в 1s орбиталата, има един спин. Тогава следващият електрон, който се намира в 1s орбиталата, ще има срещуположен спин, и по този начин те се свързват. Те имат срещуположни спинове. Ако продължим да добавяме електрони, се прехвърляме към 2р орбиталите. Прехвърляме се към 2р. Всъщност може да го разгледаме сякаш има три 2р орбитали и всяка от тях може да съдържа по два електрона, тоест общо шест електрона могат да се съдържат в 2р орбиталите. Нека ги нарисувам, така че да можеш да си ги представиш. Така ако определим нашата ос тук, мисли в три измерения. Представи си, че точно там е оста х. Това е нашата ос х. Нека направя това в различни цветове. Да кажем, че точно тук е нашата ос у и след това имаме и ос z. Ще я направя в синьо. Да кажем, че имаме ос z точно като тази. Всъщност имаме р-орбитала, която е разположена по дължината на всяка от тези оси. Така можем да имаме нашата втора... нека я направя в същия цвят. Имаме 2р индекс х орбитала. Тя ще изглежда подобно на дъмбел, който се движи в посока х. Ще дам най-доброто от себе си, за да го нарисувам. Това е формата на дъмбел, който върви по посока х, някак и в двете посоки, и всъщност е симетричен. Рисувам този край по-голям от този край, така че да изглежда сякаш излиза малко към теб, но нека го нарисувам малко по-добре от това. Мога и по-добре. И може би излиза ето така. Запомни, това са просто вероятностни облаци, но е полезно някак да си ги представим като неща, които можем да видим около нас. Но най-добре да мислим за тях като вероятностен облак. И така, това е 2рх орбиталата. Още не съм говорил как се запълват. но освен това имаме и 2ру орбитала, която е по тази ос, Идеята е същата – прилича на дъмбел по дължината на у който се движи в двете посоки на оста у. В тази посока и в тази посока. Нека да направя 2ру... След което имаме и 2pz, която се движи по посока z нагоре ето така, а след това надолу, ето така. Ако продължиш да добавяш електрони, досега сме добавили четири електрона. Ако добавиш пети електрон, ще очакваш да отиде в 2рх орбиталата точно там. И макар тази 2рх орбитала да може да побере два електрона, първият отива там. Следващият обаче няма да отиде при този. Той всъщност иска да раздели самия себе си в рамките на р-орбиталата, така че следващият електрон няма да влезе в 2 рх, а в 2ру. Този след него няма да отиде в 2ру или 2рх, а в 2рz. Те се стремят да се разделят. Ако след това добавиш друг електрон... Да видим, добавихме един, два, три, четири, пет, шест, седем. Ако добавиш осми електрон, той вече ще отиде в 2рх орбиталата, така че осмият електрон би отишъл там, но ще има срещуположен спин. Това е нещо като преговор с нагледно представяне. Предвид вече разгледаната информация, нека помислим какво се случва с въглерода. Въглеродът има шест електрона. 6 електрона. Неговата електронна конфигурация е 1s2, два електрона в 1s орбиталата. След това, 2s2, след това 2р2, нали така? Остават само два, тъй като той има общо шест електрона. Два отиват тук, два – там, а два остават да запълнят р орбиталите. Ако изхождаш от това, което току-що онагледихме и за което говорихме тук, какво ще очакваш за въглерода? Само да го нарисувам по същия начин като това. Значи, имаме 1s орбитала, 2s орбитала, а след това 2рх орбитала, 2ру орбитала, а след това 2рz орбитала. Ако изхождаш направо от електронната конфигурация, ще предположиш, че... Първо се запълва 1s орбиталата. Това е нашият първи електрон, нашият втори електрон, нашият трети електрон. След това преминаваме към нашата 2s орбитала, която се запълва следваща, трети електрон, след това четвърти електрон. След това сигурно ще очакваш петият електрон да отиде на 2рх. Можехме да кажем и 2ру или 2рz. Зависи просто от това как ще означим оста. Но ще разположиш петия електрон на една от р-орбиталите и след това ще очакваш шестият електрон да отиде в друга. Тоест ще очакваш това да бъде нещо като конфигурацията за въглерода. И ако трябва да го начертаем... нека начертая нашите оси. Това е нашата ос у, а това е нашата ос х. Нека го начертая малко по-добре от това. И така, това е оста х и, разбира се, имаме и оста z. Трябва да мислим триизмерно. Тогава имаме оста z, ето по този начин. Значи първо запълваме 1s орбиталата, така че ако нашето ядро е разположено тук, нашата 1s орбитала се запълва с два електрона. Може да си представиш това като малък облак около ядрото. След това запълваме 2s орбиталата, а тя би била облак около този, нещо като обвивка около него. След това ще поставим един електрон на 2рх орбиталата, така че един електрон би започнал да "подскача" наоколо или да се движи наоколо, зависи как си го представяш, в тази орбитала ето там, 2рх. А следващият електрон ще подскача или ще се движи наоколо по 2ру орбиталата, тоест би се движил наоколо ето така. Ако изхождаш само от това, сигурно ще си кажеш: Това момче ето тук и онова момче ето там, са самотни. Търсят партньор със срещуположен спин. Това биха били единствените места, на които биха се образували връзки. Бихме очаквали да се образува някакъв вид свързване с х-орбиталите или у-орбиталите. Сега, ето това бихме очаквали, ако просто останем на този модел за това как се запълват и как изглеждат орбиталите. В действителност при въглерода, да разгледаме най-простата форма при въглерода, молекулата на метана, нещата са доста по-различни, отколкото бихме очаквали тук. Първо, тук бихме очаквали, че въглеродът вероятно би образувал две връзки. Но както знаем, въглеродът образува четири връзки и иска да изглежда сякаш има осем електрона. Честно казано, почти всеки атом иска да се преструва, че има осем електрона. Но за да се случи това, трябва да мислим различно. Не точно това се случва наистина, когато въглеродът се свързва. Записвам: не това се случва, когато въглеродът се свързва. Това, което наистина се случва, когато въглеродът се свързва, а това ще бъде разгледано при дискусията за sp3 хибридизацията, но ще видим, че всъщност не е чак толкова сложно. Звучи много страшно, но всъщност е доста просто. Когато въглеродът се свързва, понеже иска да образува четири връзки с нещата в неговата конфигурация, може да си представим, че изглежда по-скоро така. Ето така. Имаме 1s. Там имаме два електрона. След това имаме 2s, 2px, 2py и 2pz. Сега може да си представим, че иска да образува четири връзки. Въглеродът има четири електрона, които искат да се свържат с електрони от други молекули. При случая на метана, тази друга молекула е водородна. Можем да си представим, че електроните всъщност... Може би водородът донася този електрон точно тук в по-високо енергийно ниво и го поставя на 2z. Това е единият начин да го изобразим. Така това другото момче тук може би ще завърши ето тук, а тогава тези двете момчета са ето там и там. И сега изглежда сякаш имаме четири самотни момчета, които са готови да се свържат. Това е по-точно представяне на начина, по който се свързва въглеродът. Харесва му да се свързва с четири други момчета. Сега, малко е произволно кой електрон ще се окаже във всяко от тези неща, а дори и да имате този тип на свързване, бихме очаквали връзките да бъдат по х, у, и z осите. В действителност при въглерода тези четири електрона в неговия втори слой не изглеждат да са... първият не изглежда да е просто в s орбитала, а след това p, x и y и z за останалите три. Всички изглеждат сякаш са по малко в s и частично в р-орбиталите. Нека поясня. Вместо това да бъде 2s, всъщност при въглерода изглежда прилича на 2sp3 орбитала. Това изглежда като 2sp3 орбитала, това изглежда като 2sp3 орбитала, и това изглежда като 2sp3 орбитала. Всички те изглеждат сякаш са на една и съща орбитала. Тази sp3 хибридизирана орбитала изглежда на нещо, което е между s и р орбитала. Има 25% s характер, и 75% р характер. Можеш да си я представиш като смес от тези четири неща. Това е поведението, което въглеродът има. Следователно, като смесим всичко, вместо да имаме s орбитала... Тоест ако това е ядро и направим напречен разрез, s орбиталата изглежда ето така, а р орбиталата изглежда като нещо подобно в разрез. Така, това е s, а това е р. Когато те се смесят, орбиталата изглежда ето така. Една sp3 орбитала изглежда по подобен начин. Това е хибридизирана sp3 орбитала. Хибрид означава просто комбинацията от две неща. Кола хибрид е комбинация от бензин и електричество. Хибридизирана орбитала е комбинация на s и р. Хибридизирани sp3 орбитали са, когато въглеродът се свързва с неща като водород или всъщност когато се свързва с каквото и да било. Да разгледаме молекулата на метана. Когато говорят за sp3 хибридизирани орбитали, хората имат предвид, че има въглерод в центъра. Да кажем, че ядрото на въглерода е точно тук. И вместо да има една s и три р орбитали, той има четири sp3 орбитали. Четири sp3 орбитали. Ще се опитам да начертая четирите sp3 орбитали. Да кажем, че това е големият издатък, който сочи близо до нас, а има и малък издатък на заден план. След това имаме още един с голям издатък като този и малък отзад. След това има един, който отива зад страницата, нека го нарисувам. Може да си представиш нещо като трикрако столче, и тогава неговият малък издатък ще излиза ето така. След това имаме едно, при което големият издатък сочи право нагоре, и има малък издатък, който отива надолу. Може да си го представиш като трикрако столче. Един крак е отзад ето така и сочи право нагоре. Тоест нещо като триножник, така най-лесно ще си го представиш И така, това е въглеродното ядро в центъра и след това имаме водородните атоми, така че това там е нашият въглерод. Имаме и водородни атоми. Имаме водороден атом тук. Водородният атом има само един електрон в 1s орбиталата, така че водородът има 1s орбитала. Има водороден атом тук, който има само 1s орбитала. Има водород и тук, 1s орбитала, водород тук, 1s орбитала. По този начин водородните и въглеродните орбитали се смесват. 1s орбиталата на водорода се свързва с... Всяка от 1s орбиталите се свързва с една от sp3 орбиталите на въглерода. За да добиеш по-добра представа. Когато хората говорят за хибридизирани sp3 орбитали, те казват: Виж, въглеродът не се свързва. Това точно тук е молекула на метан, нали? Това е CH4, или метан, и той не се свързва, както бихме очаквали, ако това бяха обикновени s и р орбитали. При стандартните s и р орбитали връзките биха се образували. Може би водородът би бил там и там, а ако имаше четири водородни атома, може би там и там. Но реалността не изглежда по този начин. Тя е по-скоро като триножник. Има формата на тетраедър. Има формата на тетраедър. Най-добре можем да обясним формата на структурата така: имаме 4 еднакви по форма орбитали, които са хибриди между s и р. Друго понятие, което трябва да се знае – понякога хората мислят, че това е много сложен термин – но когато има връзка между две молекули, при които орбиталите сочат една към друга, можем да си го представим ето тук, тази водородна орбитала сочи в тази посока. Тази sp3 орбитала сочи в тази посока, и те се припокриват ето тук. Това се нарича сигма връзка: когато припокриването е по същата ос, сякаш сме свързали двете молекули. Ето тук, свързваш двете молекули, припокриването е по една и съща ос. Това е най-силният вид ковалентна връзка. Това ще бъде добра основа за дискусия в следващото видео, ще говорим малко за пи връзки. Основната цел на това видео е просто да разбереш какво какво е sp3 хибридизирана орбитала. Нищо сложно, просто комбинация на s и р орбитали. Има 25% s характер, 75% р характер, което е логично. Тя съществува, когато въглеродът образува връзки, особено в случая на метана. Той се описва със структура на тетраедър. Поради тази причина имаме ъгъл между различните клонове, който е 109,5 градуса. Някои учители биха искали да знаеш това, затова е полезно да запомниш. Този ъгъл точно тук, 109,5 градуса. Той е същият като този ъгъл. Или ако отидеш отзад, този ъгъл точно там е 109,5 градуса, обяснен чрез sp3 хибридизация. Самите връзки са сигма връзки. Припокриването е по дължината на оста, която свързва водорода и въглерода.