10.7: Hybrydyzacja orbitali atomowych II

Hybrydyzacja sp3d i sp3d 2

Aby opisać pięć orbitali wiążących w układzie bipiramidalnym trygonalnym, musimy użyć pięciu orbitali atomowych powłoki walencyjnej (orbital s, trzy orbitale p i jeden z orbitali d), co daje pięć orbitali hybrydowych sp3d. Przy oktaedrycznym układzie sześciu orbitali hybrydowych musimy użyć sześciu orbitali atomowych powłoki walencyjnej (orbital s, trzy orbitale p i dwa z orbitali d w powłoce walencyjnej), co daje sześć orbitali hybrydowych sp3d 2. Te hybrydyzacje są możliwe tylko dla atomów, które mają orbitale d na swoich podpowłokach walencyjnych (to znaczy nie są to atomy w pierwszym lub drugim okresie).

W cząsteczce pięciochlorku fosforu PCl5 znajduje się pięć wiązań P – Cl (a więc pięć par elektronów walencyjnych wokół atomu fosforu) skierowanych w stronę narożników bipiramidy trygonalnej. Używamy orbitali 3s, trzech orbitali 3p i jednego z orbitali 3d, aby utworzyć zestaw pięciu orbitali hybrydowych sp3d, które są zaangażowane w wiązania P – Cl. Inne atomy wykazujące hybrydyzację sp3d obejmują atom siarki w SF4 i atomy chloru w ClF3 i ClF4+.

Atom siarki w sześciofluorku siarki, SF6, wykazuje hybrydyzację sp3d2. Cząsteczka sześciofluorku siarki ma sześć par wiążących elektronów łączących sześć atomów fluoru z pojedynczym atomem siarki. Na atomie centralnym nie ma samotnych par elektronów. Aby związać sześć atomów fluoru, orbital 3s, trzy orbitale 3p i dwa z orbitali 3d tworzą sześć równoważnych orbitali hybrydowych sp3d 2, każdy skierowany w stronę innego narożnika oktaedru. Inne atomy wykazujące hybrydyzację sp3d 2 obejmują atom fosforu w PCl6-, atom jodu w międzyhalogenach IF6+, IF5, ICl4-, IF4- i atom ksenonu w XeF4.

Trygonalne kształty dwupiramidalne, oktaedralne i inne kształty molekularne można wyjaśnić, zakładając udział orbitali 3d w procesie hybrydyzacji.

Cząsteczka pięciochlorku fosforu ma trygonalny dwupiramidowy kształt i zawiera 5 elektronów walencyjnych. Fosfor wykorzystuje orbital 3s, trzy orbitale 3p i jeden z orbitali 3d, tworząc pięć orbitali hybrydowych sp³d, które są zaangażowane w wiązania fosfor-chlor.

Heksafluorek siarki ma strukturę oktaedryczną i zawiera 6 elektronów walencyjnych. Orbital 3s, trzy orbitale 3p i dwa orbitale 3d na siarce tworzą sześć równoważnych orbitali hybrydowych sp³d². Te sześć orbitali sp³d² tworzy strukturę oktaedryczną wokół siarki i uczestniczy w tworzeniu wiązań siarka-fluor

Koncepcja hybrydyzacji dostarcza również wyjaśnienia powstawania wiązań wielokrotnych. Boczne zachodzenie na siebie dwóch orbitali p powoduje powstanie wiązania π. 

Jednak wiązanie π może powstać w wiązaniach podwójnych i potrójnych tylko wtedy, gdy między dwoma atomami istnieje już wiązanie σ. Ponieważ wiązanie π występuje po przeciwnych stronach osi międzyjądrowej, wiązania π nie są w stanie obracać się wokół tej osi.

W cząsteczce etenu oba węgle wykazują hybrydyzację sp². Mieszanie jednego orbitalu s i dwóch orbitali p atomu węgla wytwarza trzy identyczne orbitale hybrydowe sp², a jeden orbital p pozostaje niezhybrydyzowany.

Wiązanie węgiel-węgiel σ powstaje w wyniku nałożenia się dwóch orbitali hybrydowych sp², po jednym na każdy atom węgla.

Dwa wiązania węgiel-wodór σ na każdym węglu powstają w wyniku nałożenia się dwóch orbitali hybrydowych sp² z orbitalami 1s na atomie wodoru. W ten sposób w cząsteczce etenu powstaje pięć wiązań σ

Niezhybrydyzowane orbitale 2p na węglach nakładają się na siebie boki, tworząc wiązanie π. Wszystkie sześć atomów leży w tej samej płaszczyźnie, a zatem orbitale 2p mogą skutecznie się na siebie nakładać.

Tak więc wiązanie podwójne w etenie składa się z jednego wiązania σ i jednego π.

Wiązania potrójne i geometrię liniową etynu można wyjaśnić za pomocą hybrydyzacji sp. Orbitale 2s i 2p obu atomów węgla ulegają hybrydyzacji, aby wytworzyć po dwa orbitale sp każdy, a dwa orbitale p pozostają niezhybrydyzowane. 

Jeden z orbitali sp tworzy wiązanie σ z drugim atomem węgla, podczas gdy pozostały orbital sp tworzy wiązanie σ z atomem wodoru. Dwa niezhybrydyzowane orbitale 2p są prostopadłe i przecinają się na głównej osi orbitali hybrydowych sp. 

Te orbitale 2p zachodzą na boki z orbitalami 2p drugiego atomu węgla, co powoduje utworzenie dwóch wiązań π. Dlatego wiązanie potrójne w etynie składa się z jednego wiązania σ i dwóch wiązań π między dwoma atomami węgla.