Hybrydyzacja — sp, sp2, sp3, sp3d i sp3d2

Hybrydyzacja to model używany we wstępnym kursie chemii do powiązania struktury Lewisa z lokalną geometrią wokół jednego atomu. W większości zadań na pierwszym roku liczy się domeny elektronowe wokół tego atomu i dopasowuje ich liczbę do oznaczenia takiego jak $sp$, $sp^2$ lub $sp^3$.

Typowy skrót to 2 domeny $\rightarrow$ $sp$, 3 $\rightarrow$ $sp^2$, 4 $\rightarrow$ $sp^3$, 5 $\rightarrow$ $sp^3d$ i 6 $\rightarrow$ $sp^3d^2$. Ten skrót jest bardzo przydatny w chemii ogólnej, ale najlepiej działa jako prosty model lokalny, a nie ostateczny opis każdej sytuacji wiązaniowej.

Tabela hybrydyzacji: $sp$, $sp^2$, $sp^3$, $sp^3d$ i $sp^3d^2$

Domeny elektronowe wokół jednego atomu	Typowe oznaczenie hybrydyzacji	Typowa geometria domen elektronowych
2	$sp$	liniowa
3	$sp^2$	trygonalna płaska
4	$sp^3$	tetraedryczna
5	$sp^3d$	bipiramida trygonalna
6	$sp^3d^2$	oktaedryczna

W tym sposobie liczenia wiązanie pojedyncze, podwójne, potrójne albo wolna para liczy się jako jedna domena. To ważny warunek, ponieważ wiązania wielokrotne są często liczone błędnie.

Co oznaczają te symbole

Oznaczenie mówi, ile orbitali miesza się w tym modelu wstępnym dla jednego atomu:

• $sp$: jeden $s$ i jeden $p$
• $sp^2$: jeden $s$ i dwa $p$
• $sp^3$: jeden $s$ i trzy $p$
• $sp^3d$: jeden $s$, trzy $p$ i jeden $d$ w typowym ujęciu chemii ogólnej
• $sp^3d^2$: jeden $s$, trzy $p$ i dwa $d$ w typowym ujęciu chemii ogólnej

W praktyce uczniowie i studenci zwykle używają tych oznaczeń jako szybkiego pomostu między strukturą Lewisa a geometrią.

Jak wyznaczyć hybrydyzację ze struktury Lewisa

Zacznij od atomu, który chcesz przeanalizować.

1. Narysuj sensowną strukturę Lewisa.
2. Policz domeny elektronowe wokół tego atomu.
3. Każdy obszar wiązania traktuj jako jedną domenę, nawet jeśli jest to wiązanie podwójne lub potrójne.
4. Każdą wolną parę policz jako jedną domenę.
5. Dopasuj sumę do tabeli hybrydyzacji.

Dlatego hybrydyzacja i VSEPR często dają zgodne wyniki w zadaniach wstępnych: oba podejścia opierają się na tym samym liczeniu domen.

Przykład: dlaczego atom węgla w $C_2H_4$ ma hybrydyzację $sp^2$

W etenie, $C_2H_4$, każdy atom węgla jest związany z dwoma atomami wodoru oraz z drugim atomem węgla wiązaniem podwójnym.

Teraz policz domeny elektronowe wokół jednego atomu węgla:

• dwa wiązania pojedyncze $C-H$ $\rightarrow$ 2 domeny
• jedno wiązanie podwójne $C=C$ $\rightarrow$ 1 domena

Daje to łącznie 3 domeny elektronowe, więc w modelu wstępnym atom węgla oznacza się jako $sp^2$.

To samo liczenie przewiduje też układ trygonalny płaski wokół każdego atomu węgla. Ten przykład jest przydatny, bo pokazuje zasadę, którą uczniowie i studenci najczęściej pomijają: wiązanie podwójne liczy się jako jedna domena, a nie dwie.

Częste błędy przy wyznaczaniu hybrydyzacji

Liczenie wiązania wielokrotnego jako więcej niż jednej domeny

Przy liczeniu hybrydyzacji jedno wiązanie podwójne to jedna domena, a jedno wiązanie potrójne to jedna domena.

Pomijanie wolnych par

Wolne pary też się liczą. Atom z trzema wiązaniami i jedną wolną parą ma 4 domeny, co w tym modelu często daje oznaczenie $sp^3$.

Mylenie geometrii lokalnej z kształtem całej cząsteczki

Hybrydyzację przypisuje się jednemu atomowi naraz. Opisuje ona lokalne ułożenie wokół tego atomu, a nie ogólny kształt całej cząsteczki.

Traktowanie każdego oznaczenia hybrydyzacji jako równie wiarygodnego w bardziej zaawansowanych przypadkach wiązań

W chemii ogólnej oznaczenia takie jak $sp^3d$ i $sp^3d^2$ są standardowymi skrótami dla 5 i 6 domen elektronowych. Na bardziej zaawansowanych kursach niektóre cząsteczki hiperwalencyjne opisuje się innymi modelami wiązań, więc ten skrót należy traktować jako model kursowy, a nie uniwersalną regułę.

Kiedy hybrydyzacja jest najbardziej przydatna

Hybrydyzacja jest najbardziej pomocna wtedy, gdy chcesz powiązać strukturę Lewisa z lokalną geometrią, przewidywanymi kątami wiązań albo z ideą, że wiązanie podwójne zwykle zawiera jedno wiązanie $\sigma$ i jedno wiązanie $\pi$.

Jest mniej użyteczna wtedy, gdy wiązania są silnie zdelokalizowane albo gdy prosta, zlokalizowana struktura Lewisa już sama w sobie jest słabym opisem.

Spróbuj z podobną cząsteczką

Sprawdź samodzielnie $CO_2$, $CH_4$ albo $SF_6$. Policz domeny elektronowe wokół atomu centralnego, przypisz oznaczenie hybrydyzacji, a potem sprawdź, czy geometria wynikająca z VSEPR prowadzi do tego samego wniosku.