Hybridisaatio (kemia)

Atomiorbitaalien hybridisaatio on VSEPR- (Valence Shell Electron Pair Repulsion) ja LCAO-teorioiden (Linear Combination of Atomic Orbitals) selitys kovalenttisten ja polaaristen (t.s. molekyylin sisäisen dipolin sisältävien) sidosten muodostumiselle eri atomien välillä. Esimerkiksi, perustilassa olevan atomisen hiilen atomiorbitaalit ja niiden sisältämät elektronit voidaan kuvata seuraavasti (nuolien suunta kuvaa e^-:ien spiniä):

$C\quad
\frac{\uparrow\downarrow}{1s}\;
\frac{\uparrow\downarrow}{2s}\;
\frac{\uparrow\,}{2p_x}\;
\frac{\uparrow\,}{2p_y}\;
\frac{\,\,}{2p_z}$

Orbitaalit on siis täytetty Paulin kieltosäännön mukaisessa järjestyksessä. LCAO-teoriassa mitätöidään sivukvanttiluvun vaikutus orbitaaleihin seuraavasti: aluksi oletetaan saman pääkvanttiluvun omaavien orbitaalien olevan samanarvoisia energian suhteen, ja sen jälkeen nämä yhdistetään vastaavaksi määräksi hybridiorbitaaleja, jotka nimetään erikseen.

$C^{*}\quad
\frac{\uparrow\downarrow}{1s}\;
\frac{\uparrow\,}{2s}\;
\frac{\uparrow\,}{2p_x}
\frac{\uparrow\,}{2p_y}
\frac{\uparrow\,}{2p_z}$ jotka hybridisoítuvat

$C^{*}\quad
\frac{\uparrow\downarrow}{1s}\;
\frac{\uparrow\,}{sp^3}\;
\frac{\uparrow\,}{sp^3}
\frac{\uparrow\,}{sp^3}
\frac{\uparrow\,}{sp^3}$

Näin muodostetut hybridiorbitaalit selittävät esimerkiksi metaanin hiilen ja vetyjen välisten sidosten kokeellisesti havaitun samanlaisuuden:

eli tavanomaisemmin Ch4-structure.png

Fysiikassa tämä teoria ei toimi, sillä mm. alkuaineiden spektrien ominaisuudet eivät selity hybridiorbitaalien kautta. Kemiassa käytettävät monet spektroskopian muodot on standardoitu siten että tutkimuksesta saatava vaste on helposti tulkittavissa todisteiksi hybridiorbitaaleja kuvailevan LCAO-teorian erinomaisesta sovellettavuudesta kemiallisessa analyysissä.

LCAO-teoriassa sama toteutetaan matemaattisesti tekemällä rajattuja yksinkertaistuksia ytimestä etäimmälle ulottuvia orbitaaleja kuvaaville yhtälöille.

C'*'-merkintä tarkoittaa edellä sitä, että hiiliatomit eivät ole kvanttimekaanisen atomimallin mukaisessa perustilassaan (joka kai toteutuisi absoluuttisessa nollapisteessä kaikille atomeille).

Esimerkkejä

Hybridisaation käsitteellä pystytään ennustamaan monien molekyylien muotoja:

AX2 (esim., BeCl₂): sp hybridisaatio; lineaarinen
AX3 (esim., BCl₃): sp² hybridisaatio; kolmiomainen
AX4 (esim., CCl₄): sp³ hybridisaatio; tetrahedraalinen
AX5 (esim., PCl₅): sp³d hybridisaatio; kolmiomainen bipyramidaalinen
AX6 (esim., SF₆): sp³d² hybridisaatio; oktahedraalinen (neliömäinen bipyramidaalinen)

Tämä ei pidä paikkaansa tarkasti, mikäli yhdisteen keskusatomia kiertää myös ei-sitovia elektroneja (non-bonding elctrons). Jos näitä on, sidoskulmat keskusatomin suhteen pienenevät. Ei-sitovilla elektroneilla ei ole toista atomiydintä kierrettäväkseen, jolloin ne "vievät enemmän tilaa" keskusatomin lähellä. Näin käy esim. ionilla PCl₄+, jossa fosfori on sp³d hybridisoitunut.

Hybridisaation käsitettä on käytetty selittämään myös metallien kompleksiyhdisteissä esiintyviä kovalenttisen sidoksen ja keskusatomin välisiä sidoksia, mutta tässä tapauksessa molekyyliorbitaaliteoria on tieteellisesti eksaktimpi.

Kemia

Gourt Home::Gourt :: Hybridisaatio (kemia)

Esimerkkejä