ไฮบริไดเซชัน — sp, sp2, sp3, sp3d และ sp3d2

ไฮบริไดเซชันเป็นแบบจำลองที่ใช้ในวิชาเคมีพื้นฐานเพื่อเชื่อมโยงโครงสร้างลิวอิสกับเรขาคณิตเฉพาะที่รอบอะตอมหนึ่งอะตอม ในโจทย์ระดับปีหนึ่งส่วนใหญ่ คุณจะนับโดเมนอิเล็กตรอนรอบอะตอมนั้น แล้วจับคู่จำนวนที่ได้กับป้ายกำกับอย่าง $sp$, $sp^2$ หรือ $sp^3$

ทางลัดที่ใช้กันทั่วไปคือ 2 โดเมน $\rightarrow$ $sp$, 3 $\rightarrow$ $sp^2$, 4 $\rightarrow$ $sp^3$, 5 $\rightarrow$ $sp^3d$ และ 6 $\rightarrow$ $sp^3d^2$ ทางลัดนี้มีประโยชน์มากในเคมีทั่วไป แต่เหมาะที่สุดเมื่อใช้เป็นแบบจำลองเฉพาะที่อย่างง่าย ไม่ใช่คำอธิบายสุดท้ายของทุกกรณีการเกิดพันธะ

ตารางไฮบริไดเซชัน: $sp$, $sp^2$, $sp^3$, $sp^3d$ และ $sp^3d^2$

โดเมนอิเล็กตรอนรอบอะตอมหนึ่งอะตอม	ป้ายกำกับไฮบริไดเซชันที่ใช้ทั่วไป	เรขาคณิตของโดเมนอิเล็กตรอนที่พบได้ทั่วไป
2	$sp$	เชิงเส้น
3	$sp^2$	สามเหลี่ยมแบนราบ
4	$sp^3$	ทรงสี่หน้า
5	$sp^3d$	ไตรโกนัลไบพีระมิด
6	$sp^3d^2$	ออกตะฮีดรัล

ในการนับแบบนี้ พันธะเดี่ยว พันธะคู่ พันธะสาม หรือคู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยว แต่ละอย่างนับเป็น 1 โดเมน เงื่อนไขนี้สำคัญ เพราะพันธะหลายมักถูกนับเกิน

ป้ายกำกับเหล่านี้หมายถึงอะไร

ป้ายกำกับบอกว่าในแบบจำลองระดับพื้นฐาน มีการผสมออร์บิทัลกี่ชนิดสำหรับอะตอมหนึ่งอะตอม:

• $sp$: หนึ่ง $s$ และหนึ่ง $p$
• $sp^2$: หนึ่ง $s$ และสอง $p$
• $sp^3$: หนึ่ง $s$ และสาม $p$
• $sp^3d$: หนึ่ง $s$, สาม $p$ และหนึ่ง $d$ ตามภาพที่ใช้กันทั่วไปในเคมีทั่วไป
• $sp^3d^2$: หนึ่ง $s$, สาม $p$ และสอง $d$ ตามภาพที่ใช้กันทั่วไปในเคมีทั่วไป

ในทางปฏิบัติ นักเรียนมักใช้ป้ายกำกับเหล่านี้เป็นสะพานลัดจากโครงสร้างลิวอิสไปสู่เรขาคณิตรอบอะตอม

วิธีหาไฮบริไดเซชันจากโครงสร้างลิวอิส

เริ่มจากอะตอมที่คุณสนใจ

1. วาดโครงสร้างลิวอิสที่สมเหตุสมผล
2. นับโดเมนอิเล็กตรอนรอบอะตอมนั้น
3. ให้นับบริเวณพันธะแต่ละบริเวณเป็น 1 โดเมน แม้จะเป็นพันธะคู่หรือพันธะสามก็ตาม
4. นับคู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยวแต่ละคู่เป็น 1 โดเมน
5. จับคู่จำนวนรวมกับตารางไฮบริไดเซชัน

นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมไฮบริไดเซชันกับ VSEPR มักสอดคล้องกันในโจทย์ระดับพื้นฐาน เพราะทั้งสองอย่างอาศัยการนับโดเมนแบบเดียวกัน

ตัวอย่างทำโจทย์: ทำไมคาร์บอนใน $C_2H_4$ จึงเป็น $sp^2$

ในอีทีน $C_2H_4$ คาร์บอนแต่ละอะตอมจับกับไฮโดรเจนสองอะตอม และจับกับคาร์บอนอีกอะตอมด้วยพันธะคู่

ทีนี้มานับโดเมนอิเล็กตรอนรอบคาร์บอนหนึ่งอะตอม:

• พันธะเดี่ยว $C-H$ สองพันธะ $\rightarrow$ 2 โดเมน
• พันธะคู่ $C=C$ หนึ่งพันธะ $\rightarrow$ 1 โดเมน

ดังนั้นรวมได้โดเมนอิเล็กตรอนทั้งหมด 3 โดเมน คาร์บอนจึงถูกจัดเป็น $sp^2$ ในแบบจำลองระดับพื้นฐาน

การนับแบบเดียวกันนี้ยังทำนายได้ด้วยว่ารอบคาร์บอนแต่ละอะตอมมีการจัดเรียงแบบสามเหลี่ยมแบนราบ ตัวอย่างนี้มีประโยชน์เพราะแสดงกฎที่นักเรียนพลาดบ่อยที่สุด: พันธะคู่นับเป็น 1 โดเมน ไม่ใช่ 2

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยเมื่อหาไฮบริไดเซชัน

นับพันธะหลายเป็นมากกว่าหนึ่งโดเมน

สำหรับการนับไฮบริไดเซชัน พันธะคู่หนึ่งพันธะคือ 1 โดเมน และพันธะสามหนึ่งพันธะคือ 1 โดเมน

ลืมนับคู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยว

คู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยวก็นับด้วย อะตอมที่มีสามพันธะและมีคู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยวหนึ่งคู่จะมี 4 โดเมน ซึ่งในแบบจำลองนี้มักให้ป้ายกำกับเป็น $sp^3$

สับสนระหว่างเรขาคณิตเฉพาะที่กับรูปร่างของทั้งโมเลกุล

ไฮบริไดเซชันกำหนดทีละอะตอม มันอธิบายการจัดเรียงเฉพาะที่รอบอะตอมนั้น ไม่ใช่รูปร่างรวมของทั้งโมเลกุล

มองว่าป้ายกำกับไฮบริไดเซชันทุกแบบใช้ได้แม่นยำเท่ากันในกรณีพันธะขั้นสูง

ในเคมีทั่วไป ป้ายกำกับอย่าง $sp^3d$ และ $sp^3d^2$ เป็นทางลัดมาตรฐานสำหรับ 5 และ 6 โดเมนอิเล็กตรอน ในวิชาระดับสูงขึ้น โมเลกุลไฮเปอร์วาเลนต์บางชนิดอาจอธิบายด้วยแบบจำลองพันธะอื่น ดังนั้นควรมองทางลัดนี้เป็นแบบจำลองตามระดับรายวิชา ไม่ใช่กฎสากล

เมื่อไรไฮบริไดเซชันมีประโยชน์มากที่สุด

ไฮบริไดเซชันมีประโยชน์มากเมื่อคุณต้องการเชื่อมโครงสร้างลิวอิสกับเรขาคณิตเฉพาะที่ มุมพันธะที่คาดหมาย หรือแนวคิดที่ว่าพันธะคู่มักประกอบด้วยพันธะ $\sigma$ หนึ่งพันธะและพันธะ $\pi$ หนึ่งพันธะ

มันมีประโยชน์น้อยลงเมื่อพันธะมีการกระจายตัวของอิเล็กตรอนอย่างมาก หรือเมื่อโครงสร้างลิวอิสแบบระบุตำแหน่งอย่างง่ายเป็นคำอธิบายที่อ่อนอยู่แล้ว

ลองทำกับโมเลกุลที่คล้ายกัน

ลองทำเองกับ $CO_2$, $CH_4$ หรือ $SF_6$ นับโดเมนอิเล็กตรอนรอบอะตอมกลาง กำหนดป้ายกำกับไฮบริไดเซชัน แล้วตรวจดูว่าเรขาคณิตจาก VSEPR ให้เรื่องราวเดียวกันหรือไม่