Υβριδισμός — sp, sp2, sp3, sp3d & sp3d2

Ο υβριδισμός είναι ένα μοντέλο που χρησιμοποιείται στην εισαγωγική χημεία για να συνδέει μια δομή Lewis με την τοπική γεωμετρία γύρω από ένα άτομο. Στα περισσότερα προβλήματα πρώτου έτους, μετράς τις περιοχές ηλεκτρονίων γύρω από αυτό το άτομο και αντιστοιχίζεις το πλήθος σε μια ετικέτα όπως $sp$, $sp^2$ ή $sp^3$.

Η συνηθισμένη συντόμευση είναι 2 περιοχές $\rightarrow$ $sp$, 3 $\rightarrow$ $sp^2$, 4 $\rightarrow$ $sp^3$, 5 $\rightarrow$ $sp^3d$ και 6 $\rightarrow$ $sp^3d^2$. Αυτή η συντόμευση είναι πολύ χρήσιμη στη γενική χημεία, αλλά λειτουργεί καλύτερα ως ένα απλό τοπικό μοντέλο και όχι ως τελική περιγραφή για κάθε περίπτωση δεσμού.

Πίνακας υβριδισμού: $sp$, $sp^2$, $sp^3$, $sp^3d$ και $sp^3d^2$

Περιοχές ηλεκτρονίων γύρω από ένα άτομο	Συνήθης ετικέτα υβριδισμού	Συνήθης γεωμετρία περιοχών ηλεκτρονίων
2	$sp$	γραμμική
3	$sp^2$	τριγωνική επίπεδη
4	$sp^3$	τετραεδρική
5	$sp^3d$	τριγωνική διπυραμιδική
6	$sp^3d^2$	οκταεδρική

Για αυτή τη μέτρηση, ένας απλός δεσμός, ένας διπλός δεσμός, ένας τριπλός δεσμός ή ένα μονήρες ζεύγος μετράει το καθένα ως μία περιοχή. Αυτή η προϋπόθεση έχει σημασία, επειδή οι πολλαπλοί δεσμοί συχνά μετρώνται λανθασμένα παραπάνω.

Τι σημαίνουν οι ετικέτες

Η ετικέτα δείχνει πόσα τροχιακά αναμειγνύονται στο εισαγωγικό μοντέλο για ένα άτομο:

• $sp$: ένα $s$ και ένα $p$
• $sp^2$: ένα $s$ και δύο $p$
• $sp^3$: ένα $s$ και τρία $p$
• $sp^3d$: ένα $s$, τρία $p$ και ένα $d$ στη συνήθη εικόνα της γενικής χημείας
• $sp^3d^2$: ένα $s$, τρία $p$ και δύο $d$ στη συνήθη εικόνα της γενικής χημείας

Στην πράξη, οι μαθητές συνήθως χρησιμοποιούν αυτές τις ετικέτες ως μια γρήγορη γέφυρα από μια δομή Lewis στη γεωμετρία.

Πώς να προσδιορίσεις τον υβριδισμό από μια δομή Lewis

Ξεκίνα με το άτομο που σε ενδιαφέρει.

1. Σχεδίασε μια λογική δομή Lewis.
2. Μέτρησε τις περιοχές ηλεκτρονίων γύρω από αυτό το άτομο.
3. Θεώρησε κάθε περιοχή δεσμού ως μία περιοχή, ακόμη κι αν είναι διπλός ή τριπλός δεσμός.
4. Μέτρησε κάθε μονήρες ζεύγος ως μία περιοχή.
5. Αντιστοίχισε το σύνολο στον πίνακα υβριδισμού.

Γι’ αυτό ο υβριδισμός και το VSEPR συχνά συμφωνούν στα εισαγωγικά προβλήματα: και τα δύο βασίζονται στην ίδια μέτρηση περιοχών.

Λυμένο παράδειγμα: γιατί ο άνθρακας στο $C_2H_4$ είναι $sp^2$

Στο αιθένιο, $C_2H_4$, κάθε άτομο άνθρακα συνδέεται με δύο υδρογόνα και με το άλλο άτομο άνθρακα μέσω ενός διπλού δεσμού.

Τώρα μέτρησε τις περιοχές ηλεκτρονίων γύρω από ένα άτομο άνθρακα:

• δύο απλοί δεσμοί $C-H$ $\rightarrow$ 2 περιοχές
• ένας διπλός δεσμός $C=C$ $\rightarrow$ 1 περιοχή

Αυτό δίνει συνολικά 3 περιοχές ηλεκτρονίων, άρα ο άνθρακας χαρακτηρίζεται ως $sp^2$ στο εισαγωγικό μοντέλο.

Η ίδια μέτρηση προβλέπει επίσης μια τριγωνική επίπεδη διάταξη γύρω από κάθε άτομο άνθρακα. Αυτό το παράδειγμα είναι χρήσιμο, επειδή δείχνει τον κανόνα που οι μαθητές παραλείπουν πιο συχνά: ο διπλός δεσμός μετράει ως μία περιοχή, όχι ως δύο.

Συνηθισμένα λάθη στον προσδιορισμό του υβριδισμού

Να μετράς έναν πολλαπλό δεσμό ως περισσότερες από μία περιοχές

Για τη μέτρηση του υβριδισμού, ένας διπλός δεσμός είναι μία περιοχή και ένας τριπλός δεσμός είναι μία περιοχή.

Να ξεχνάς τα μονήρη ζεύγη

Τα μονήρη ζεύγη μετρούν επίσης. Ένα άτομο με τρεις δεσμούς και ένα μονήρες ζεύγος έχει 4 περιοχές, κάτι που συχνά δίνει ετικέτα $sp^3$ σε αυτό το μοντέλο.

Να συγχέεις την τοπική γεωμετρία με το σχήμα ολόκληρου του μορίου

Ο υβριδισμός αποδίδεται σε ένα άτομο κάθε φορά. Περιγράφει την τοπική διάταξη γύρω από αυτό το άτομο, όχι το συνολικό σχήμα ολόκληρου του μορίου.

Να θεωρείς κάθε ετικέτα υβριδισμού εξίσου αξιόπιστη σε προχωρημένες περιπτώσεις δεσμού

Στη γενική χημεία, ετικέτες όπως $sp^3d$ και $sp^3d^2$ είναι καθιερωμένες συντομεύσεις για 5 και 6 περιοχές ηλεκτρονίων. Σε πιο προχωρημένα μαθήματα, ορισμένα υπερσθενή μόρια περιγράφονται με άλλα μοντέλα δεσμού, οπότε η συντόμευση πρέπει να αντιμετωπίζεται ως μοντέλο επιπέδου μαθήματος και όχι ως καθολικός κανόνας.

Πότε ο υβριδισμός είναι πιο χρήσιμος

Ο υβριδισμός βοηθά περισσότερο όταν θέλεις να συνδέσεις μια δομή Lewis με μια τοπική γεωμετρία, αναμενόμενες γωνίες δεσμών ή με την ιδέα ότι ένας διπλός δεσμός συνήθως περιέχει έναν δεσμό $\sigma$ και έναν δεσμό $\pi$.

Βοηθά λιγότερο όταν ο δεσμός είναι έντονα αποεντοπισμένος ή όταν μια απλή εντοπισμένη δομή Lewis είναι ήδη μια αδύναμη περιγραφή.

Δοκίμασε ένα παρόμοιο μόριο

Δοκίμασε τη δική σου εκδοχή με $CO_2$, $CH_4$ ή $SF_6$. Μέτρησε τις περιοχές ηλεκτρονίων γύρω από το κεντρικό άτομο, όρισε την ετικέτα υβριδισμού και έπειτα έλεγξε αν η γεωμετρία από το VSEPR λέει την ίδια ιστορία.