Orbitali atomici hibrizi

Gândirea în termeni de suprapunere a orbitalilor atomici este o modalitate prin care putem explica modul în care se formează legăturile chimice în moleculele diatomice. Cu toate acestea, pentru a înțelege cum moleculele cu mai mult de doi atomi formează legături stabile, avem nevoie de un model mai detaliat. Ca exemplu, să luăm în considerare molecula de apă, în care avem un atom de oxigen legat de doi atomi de hidrogen. Oxigenul are configurația electronică 1s²2s²2p⁴, cu doi electroni nepereche (câte unul în fiecare dintre cei doi orbitali 2p). Teoria legăturii de valență ar prezice că cele două legături O–H se formează din suprapunerea acestor doi orbitali 2p cu orbitalii 1s ai atomilor de hidrogen. Dacă acesta ar fi cazul, unghiul de legătură ar fi de 90°, așa cum se arată în Figura 8.6, deoarece orbitalii p sunt perpendiculari unul pe celălalt. Dovezile experimentale arată că unghiul de legătură este de 104,5°, nu de 90°. Predicția modelului teoriei legăturii de valență nu se potrivește cu observațiile din lumea reală a unei molecule de apă; este nevoie de un alt model.

Figura 8.6 Suprapunerea ipotetică a doi dintre orbitalii 2p pe un atom de oxigen (roșu) cu orbitalii 1s ai doi atomi de hidrogen (albastru) ar produce un unghi de legătură de 90°. Acest lucru nu este în concordanță cu dovezile experimentale. (1)

Calculele mecanice cuantice sugerează de ce unghiurile de legătură observate în H₂O diferă de cele prezise de suprapunerea orbitalului 1s al atomilor de hidrogen cu orbitalii 2p ai atomului de oxigen. Expresia matematică cunoscută sub numele de funcție de undă, ψ, conține informații despre fiecare orbital și proprietățile ondulatorii ale electronilor dintr-un atom izolat. Când atomii sunt legați împreună într-o moleculă, funcțiile de undă se combină pentru a produce noi descrieri matematice care au forme diferite. Acest proces de combinare a funcțiilor de undă pentru orbitalii atomici se numește hibridizare și se realizează matematic prin combinația liniară a orbitalilor atomici, LCAO, (o tehnică pe care o vom întâlni din nou mai târziu). Noii orbitali care rezultă se numesc orbitali hibrizi. Orbitalii de valență dintr-un atom de oxigen izolat sunt un orbital 2s și trei orbitali 2p. Orbitii de valență dintr-un atom de oxigen dintr-o moleculă de apă diferă; ei constau din patru orbitali hibrizi echivalenți care îndreaptă aproximativ spre colțurile unui tetraedru (Figura 8.7). În consecință, suprapunerea orbitalilor O și H ar trebui să aibă ca rezultat un unghi de legătură tetraedric (109,5°). Unghiul observat de 104,5° este o dovadă experimentală pentru care calculele mecanice cuantice oferă o explicație utilă: teoria legăturii de valență trebuie să includă o componentă de hibridizare pentru a oferi predicții precise.

Figura 8.7 (a) O moleculă de apă are patru regiuni de densitate electronică, astfel încât teoria VSEPR prezice o aranjare tetraedrică a orbitalilor hibrizi. (b) Doi dintre orbitalii hibrizi ai oxigenului conțin perechi singure, iar ceilalți doi se suprapun cu orbitalii 1s ai atomilor de hidrogen pentru a forma legăturile O–H în H₂O. Această descriere este mai în concordanță cu structura experimentală.

Următoarele idei sunt importante pentru înțelegerea hibridizării:

Orbitalii hibrizi nu există în atomi izolați. Ei se formează numai în atomi legați covalent.
Orbitalii hibrizi au forme și orientări foarte diferite de cele ale orbitalilor atomici din atomii izolați.
Un set de orbitali hibrizi este generat prin combinarea orbitalilor atomici. Numărul de orbitali hibrizi dintr-o mulțime este egal cu numărul de orbitali atomici care au fost combinați pentru a produce setul.
Toți orbitalii dintr-un set de orbitali hibrizi sunt echivalenți ca formă și energie.
Tipul de orbitali hibrizi formați într-un atom legat depinde pe geometria sa de perechi de electroni, așa cum este prezis de teoria VSEPR.
Orbitalii hibrizi se suprapun pentru a forma legături σ. Orbitii nehibridizați se suprapun pentru a forma legături π.

În secțiunile următoare, vom discuta tipurile comune de orbitali hibrizi.