1.10 : Teoria wiązań walencyjnych i orbitale hybrydowe

Zgodnie z teorią wiązań walencyjnych wiązanie kowalencyjne powstaje, gdy: (1) orbital jednego atomu nakłada się na orbital drugiego atomu oraz (2) pojedyncze elektrony w każdym orbitalu łączą się, tworząc parę elektronów. Siła wiązania kowalencyjnego zależy od stopnia nakładania się zaangażowanych orbitali. Maksymalne nakładanie się jest możliwe, gdy orbitale nakładają się na prostą linię między dwoma jądrami.

Wiązanie σ (pojedyncze wiązanie w strukturze Lewisa) jest wiązaniem kowalencyjnym, w którym gęstość elektronów jest skoncentrowana w obszarze wzdłuż osi międzyjądrowej. Wiązanie π to wiązanie kowalencyjne powstałe w wyniku nakładania się na siebie dwóch orbitali p. W wiązaniu π obszary nakładania się orbitali leżą po przeciwnych stronach osi międzyjądrowej, podczas gdy wzdłuż osi znajduje się węzeł (płaszczyzna, w której nie ma prawdopodobieństwa znalezienia elektronu). Wszystkie wiązania pojedyncze są wiązaniami σ, podczas gdy wiązania wielokrotne składają się zarówno z wiązań σ, jak i π.

Kiedy atomy są połączone w cząsteczkę, funkcje falowe orbitali atomowych mogą się łączyć, tworząc nowe opisy matematyczne o różnych kształtach. Proces ten nazywa się hybrydyzacją i jest matematycznie realizowany poprzez liniową kombinację orbitali atomowych. Powstałe nowe orbitale nazywane są orbitalami hybrydowymi.

Kształty i orientacje orbitali hybrydowych, które powstają tylko w atomach związanych kowalencyjnie, różnią się od orbitali atomowych w izolowanych atomach. Liczba orbitali hybrydowych jest równa liczbie orbitali atomowych, które zostały połączone, aby je wygenerować. Wszystkie orbitale w zestawie orbitali hybrydowych mają równoważny kształt i energię, a ich orientację przewiduje teoria VSEPR. Orbitale hybrydowe nakładają się, tworząc wiązania σ, podczas gdy orbitale niezhybrydyzowane nakładają się, tworząc wiązania π.

Na przykład, w stanie wzbudzonym węgla, jeden orbital 2s i trzy orbitale 2p ulegają hybrydyzacji, w wyniku czego powstają cztery zdegenerowane hybrydowe orbitale sp³ zorientowane tetraedrycznie. W cząsteczce metanu orbital 1s każdego z czterech atomów wodoru nakłada się na jeden z czterech orbitali sp³ atomu węgla, tworząc wiązanie sigma (σ).

Podobnie, zmieszanie jednego orbitali 2s i dwóch orbitali 2p węgla generuje trzy równoważne orbitale hybrydowe sp² o trygonalnej geometrii planarnej, podczas gdy hybrydyzacja jednego orbitali 2s i jednego z orbitali 2p tworzy dwa orbitale sp zorientowane względem siebie pod kątem 180°.

W przypadku atomów, które mają orbitale d w swoich podpowłokach walencyjnych, hybrydyzacja pięciu orbitali atomowych powłoki walencyjnej (jednego s, trzech p i jednego z orbitali d) daje pięć orbitali hybrydowych sp³d o geometrii bipiramidy trygonalnej. Oktaedryczny układ sześciu orbitali hybrydowych uzyskuje się przez zmieszanie sześciu orbitali atomowych powłoki walencyjnej (jeden orbital s, trzy p i dwa z orbitali d), co daje sześć orbitali hybrydowych sp³d².

Ten tekst jest adaptacją Openstax, Chemistry 2e, Section 8.1 Valence Bond Theory and Section 8.2 Hybrid Atomic Orbitals.