Lai hóa — sp, sp2, sp3, sp3d & sp3d2

Lai hóa là một mô hình dùng trong hóa học nhập môn để liên hệ công thức Lewis với hình học cục bộ xung quanh một nguyên tử. Trong hầu hết các bài tập năm nhất, bạn đếm số miền electron quanh nguyên tử đó rồi ghép số này với một nhãn như $sp$, $sp^2$ hoặc $sp^3$.

Mẹo thường dùng là 2 miền $\rightarrow$ $sp$, 3 $\rightarrow$ $sp^2$, 4 $\rightarrow$ $sp^3$, 5 $\rightarrow$ $sp^3d$ và 6 $\rightarrow$ $sp^3d^2$. Mẹo này rất hữu ích trong hóa đại cương, nhưng nó phù hợp nhất như một mô hình cục bộ đơn giản, không phải mô tả cuối cùng cho mọi kiểu liên kết.

Bảng lai hóa: $sp$, $sp^2$, $sp^3$, $sp^3d$ và $sp^3d^2$

Số miền electron quanh một nguyên tử	Nhãn lai hóa thường dùng	Hình học miền electron thường gặp
2	$sp$	thẳng
3	$sp^2$	tam giác phẳng
4	$sp^3$	tứ diện
5	$sp^3d$	lưỡng chóp tam giác
6	$sp^3d^2$	bát diện

Trong cách đếm này, liên kết đơn, liên kết đôi, liên kết ba hoặc một cặp electron tự do đều được tính là một miền. Điều này rất quan trọng vì liên kết bội thường dễ bị đếm quá.

Các nhãn này có nghĩa là gì

Nhãn cho biết có bao nhiêu obitan được trộn trong mô hình nhập môn cho một nguyên tử:

• $sp$: một $s$ và một $p$
• $sp^2$: một $s$ và hai $p$
• $sp^3$: một $s$ và ba $p$
• $sp^3d$: một $s$, ba $p$ và một $d$ trong cách trình bày hóa đại cương thông thường
• $sp^3d^2$: một $s$, ba $p$ và hai $d$ trong cách trình bày hóa đại cương thông thường

Trong thực tế, sinh viên thường dùng các nhãn này như một cầu nối nhanh từ công thức Lewis sang hình học.

Cách xác định lai hóa từ công thức Lewis

Bắt đầu với nguyên tử bạn cần xét.

1. Vẽ một công thức Lewis hợp lý.
2. Đếm số miền electron quanh nguyên tử đó.
3. Xem mỗi vùng liên kết là một miền, ngay cả khi đó là liên kết đôi hoặc liên kết ba.
4. Mỗi cặp electron tự do cũng tính là một miền.
5. Đối chiếu tổng số miền với bảng lai hóa.

Đó là lý do vì sao lai hóa và VSEPR thường khớp nhau trong các bài tập nhập môn: cả hai đều dựa trên cùng một cách đếm miền.

Ví dụ có lời giải: vì sao carbon trong $C_2H_4$ là $sp^2$

Trong etilen, $C_2H_4$, mỗi nguyên tử carbon liên kết với hai nguyên tử hydrogen và với nguyên tử carbon còn lại bằng một liên kết đôi.

Bây giờ hãy đếm số miền electron quanh một nguyên tử carbon:

• hai liên kết đơn $C-H$ $\rightarrow$ 2 miền
• một liên kết đôi $C=C$ $\rightarrow$ 1 miền

Vậy tổng cộng có 3 miền electron, nên carbon được gán nhãn $sp^2$ trong mô hình nhập môn.

Cách đếm này cũng dự đoán sự sắp xếp tam giác phẳng quanh mỗi nguyên tử carbon. Ví dụ này hữu ích vì nó cho thấy quy tắc mà sinh viên hay bỏ sót nhất: liên kết đôi được tính là một miền, không phải hai.

Những lỗi thường gặp khi xác định lai hóa

Đếm một liên kết bội thành nhiều hơn một miền

Khi đếm để xác định lai hóa, một liên kết đôi là một miền và một liên kết ba cũng là một miền.

Quên tính cặp electron tự do

Cặp electron tự do cũng được tính. Một nguyên tử có ba liên kết và một cặp electron tự do sẽ có 4 miền, và trong mô hình này thường được gán nhãn $sp^3$.

Nhầm lẫn giữa hình học cục bộ và hình dạng của cả phân tử

Lai hóa được gán cho từng nguyên tử một. Nó mô tả sự sắp xếp cục bộ quanh nguyên tử đó, không phải hình dạng tổng thể của toàn bộ phân tử.

Xem mọi nhãn lai hóa đều đáng tin như nhau trong các trường hợp liên kết nâng cao

Trong hóa đại cương, các nhãn như $sp^3d$ và $sp^3d^2$ là những cách viết tắt tiêu chuẩn cho 5 và 6 miền electron. Trong các học phần nâng cao hơn, một số phân tử siêu hóa trị được mô tả bằng các mô hình liên kết khác, nên mẹo này cần được xem là mô hình ở mức độ môn học, không phải quy tắc phổ quát.

Khi nào lai hóa hữu ích nhất

Lai hóa hữu ích nhất khi bạn muốn liên hệ công thức Lewis với hình học cục bộ, góc liên kết dự kiến, hoặc ý tưởng rằng một liên kết đôi thường gồm một liên kết $\sigma$ và một liên kết $\pi$.

Nó kém hữu ích hơn khi liên kết bị delocal hóa mạnh hoặc khi một công thức Lewis cục bộ đơn giản vốn đã là mô tả chưa tốt.

Hãy thử với một phân tử tương tự

Hãy tự thử với $CO_2$, $CH_4$ hoặc $SF_6$. Đếm số miền electron quanh nguyên tử trung tâm, gán nhãn lai hóa, rồi kiểm tra xem hình học theo VSEPR có cho cùng một kết luận hay không.