7. Orbitální hybridizace – ZFTSh, MIPT

Chemické vazby jsou často tvořeny elektrony umístěnými v různých atomových orbitalech. Zdálo by se, že vazby v molekule by měly být nestejné síly. Zkušenosti však ukazují, že jsou rovnocenné. Tento jev vysvětluje koncept hybridizace atomových orbitalů, který zavedl americký chemik L. Pauling.

Uvažujme o vzniku molekuly metanu. Atom uhlíku v excitovaném stavu má čtyři nepárové elektrony: jeden s-elektron a tři p-elektrony – 1s 2 2s 1 2p 3. Experimentální data ukázala, že všechny čtyři vazby CH-H v molekule methanu jsou CH₄ jsou totožné a směřují k vrcholům čtyřstěnu (úhel mezi nimi je 109 o 28′).

Je vysvětlena stejná síla vazeb hybridizace valenční (vnější) orbitaly, tedy jejich smícháním a tvarovým a energetickým zarovnáním. V tomto případě se počet hybridních orbitalů rovná počtu původních.

Čtyři zcela identické sp 3 -hybridní orbitaly atomu uhlíku jsou umístěny navzájem pod úhlem 109 o 28′ a směřují k vrcholům čtyřstěnu, v jehož středu je atom uhlíku. Obrázek ukazuje, že hybridní orbital je asymetrický a vysoce protáhlý na jedné straně jádra.

To způsobuje, že se hybridní orbitaly silněji překrývají s orbitaly jiných atomů ve srovnání s překrýváním „obyčejných“ s- a p-orbitalů a vede k vytvoření silnějších vazeb.

Kovalentní vazba, která vzniká překrýváním orbitalů podél linie spojující centra atomů, se nazývá vazba σ (sigma).

Vzhledem k tomu, že hybridní elektronové orbitaly směřují k vrcholům čtyřstěnu, když se vytvoří molekula propanu, C₃Н₈ směr chemické vazby mezi druhým a třetím atomem uhlíku se nemůže shodovat se směrem vazby mezi prvním a druhým atomem uhlíku. Je vytvořen úhel 109 o velikosti 28′. Stejné úhly existují mezi čtvrtým, pátým a dalšími atomy uhlíku. Uhlíkový řetězec má klikatý tvar:

Jiný typ hybridizace se vyskytuje v uhlíkových sloučeninách ethylenové řady. V tomto případě dochází k hybridizaci jednoho s- a dvou p-orbitalů uhlíku (hybridizace sp 2). V tomto případě jsou vytvořeny tři identické hybridní orbitaly sp 2 umístěné navzájem pod úhlem 120 o. Každý atom uhlíku má tedy tři hybridní elektronová oblaka a jeden nehybridní p-oblak. Hybridní elektronová mračna se navzájem překrývají a tvoří vazbu σ mezi atomy uhlíku:

Zbývající hybridní elektronová oblaka atomů uhlíku se překrývají s s-oblaky atomů vodíku a také tvoří σ vazby. Nehybridní p-orbitaly se vzájemně překrývají v rovině, která je kolmá k rovině vazeb σ:

Kovalentní vazba, ke které dochází, když se orbitaly na obou stranách čáry spojující středy atomů překrývají, se nazývá vazba π (pi).

Dalším příkladem, kde dochází k hybridizaci sp2 uhlíku, je molekula benzenu. Tři atomové orbitaly (jeden s a dva p) každého uhlíku v molekule benzenu hybridizují a tvoří tři vazby σ. Hybridní orbitaly se navzájem překrývají. Je obtížné ukázat překrytí všech elektronových mraků na jednom obrázku, proto budeme uvažovat dva obrázky za sebou. Níže je schéma tvorby σ vazeb v molekule benzenu:

Nehybridní p-elektronové orbitaly atomů uhlíku jsou umístěny kolmo na směrovou rovinu σ-vazeb; také se vzájemně překrývají a tvoří jeden systém π-vazeb:

V molekule acetylenu C₂Н₂ Každý atom uhlíku je v sp-hybridním stavu a tvoří dvě hybridní vazby směřující k sobě navzájem pod úhlem 180°. Jak již bylo uvedeno výše, nazývají se σ – spojení.

Ale v molekule acetylenu obsahuje každý atom uhlíku další dva p-elektrony, které se nepodílejí na tvorbě σ vazeb. Molekula acetylenu má plochou lineární „kostru“, takže oba p-elektronové mraky v každém z atomů vyčnívají z roviny ve směru k ní kolmém. V tomto případě dochází k určité interakci elektronových oblaků, ale méně silné než při tvorbě σ vazeb. V důsledku toho se v molekule acetylenu vytvoří další dvě kovalentní vazby uhlík-uhlík π:

Pod vlivem činidel se vazba π snadno rozbije, je mnohem slabší než vazba σ. Vazba π vzniká nejen mezi atomy uhlíku, ale i v případě vzniku dvojných a trojných vazeb mezi uhlíkem a kyslíkem, uhlíkem a dusíkem.

Většina organických sloučenin má molekulární strukturu. Atomy v látkách s molekulárním typem struktury tvoří mezi sebou vždy pouze kovalentní vazby, což je pozorováno i u organických sloučenin. Připomeňme si, že kovalentní je typ vazby mezi atomy, která se realizuje díky skutečnosti, že atomy sdílejí některé své vnější elektrony, aby získaly elektronovou konfiguraci vzácného plynu.

Podle počtu sdílených elektronových párů lze kovalentní vazby v organických látkách rozdělit na jednoduché, dvojné a trojné. Tyto typy spojení jsou v grafickém vzorci označeny jednou, dvěma nebo třemi řádky:

Mnohonásobnost vazby vede ke snížení její délky, takže jednoduchá vazba C-C má délku 0,154 nm, dvojná vazba C=C – 0,134 nm, trojná vazba C≡C – 0,120 nm.

Typy vazeb podle způsobu překrývání orbitálů

Jak je známo, orbitaly mohou mít různé tvary, například s-orbitaly jsou kulové a p-orbitaly mají tvar činky. Z tohoto důvodu se mohou vazby lišit také způsobem, jakým se elektronové orbitaly překrývají:

• ϭ-vazby – vznikají, když se orbitaly překrývají tak, že oblast jejich překrytí protíná čára spojující jádra. Příklady ϭ-vazeb:

• π-vazby – vznikají, když se orbitaly překrývají ve dvou oblastech – nad a pod linií spojující jádra atomů. Příklady π-vazeb:

Jak poznáte, že molekula má vazby π a ϭ?

V kovalentním typu vazby existuje ϭ-vazba mezi libovolnými dvěma atomy vždy, zatímco π-vazba existuje pouze v případě vícenásobných (dvojných, trojných) vazeb. V tomto případě:

• Jednoduchá vazba je vždy vazba ϭ
• Dvojná vazba se vždy skládá z jedné ϭ- a jedné π-vazby.
• Trojná vazba je vždy tvořena jednou ϭ- a dvěma π-vazbami.

Označme následující typy vazeb v molekule kyseliny butyn-3-ové:

Hybridizace orbitalů atomu uhlíku

Orbitální hybridizace je proces, při kterém se orbitaly, které mají zpočátku různé tvary a energie, mísí, aby vytvořily stejný počet hybridních orbitalů, které mají stejný tvar a energii.

Například při míchání jednoho s- a tři p-vznikají čtyři orbitaly sp 3 -hybridní orbitaly:

V případě atomů uhlíku se vždy jedná o hybridizaci s-orbitální a číslo p-počet orbitalů, které se mohou zúčastnit hybridizace, se pohybuje od jednoho do tří p-orbitaly.

Jak určit typ hybridizace atomu uhlíku v organické molekule?

V závislosti na tom, na kolik dalších atomů je atom uhlíku vázán, je buď ve stavu sp 3 nebo ve stavu sp 2 nebo ve stavu sp-hybridizace:

Procvičme si určení typu hybridizace atomů uhlíku na příkladu následující organické molekuly:

• První atom uhlíku je vázán ke dvěma dalším atomům (1H a 1C), což znamená, že je ve stavu sp-hybridizace.
• Druhý atom uhlíku je vázán na dva atomy – sp-hybridizace
• Třetí atom uhlíku je vázán na čtyři další atomy (dva C a dva H) – sp 3 -hybridizace
• Čtvrtý atom uhlíku je vázán na tři další atomy (2O a 1C) – sp 2 -hybridizace.

Radikál. Funkční skupina

Termín radikál nejčastěji označuje uhlovodíkový radikál, což je zbytek molekuly uhlovodíku mínus jeden atom vodíku.

Název uhlovodíkového radikálu je tvořen na základě názvu odpovídajícího uhlovodíku nahrazením přípony –an na příponu -bahno.

Funkční skupina — strukturní fragment organické molekuly (určitá skupina atomů), který je odpovědný za její specifické chemické vlastnosti.

V závislosti na tom, která z funkčních skupin v molekule látky je vyšší, je sloučenina zařazena do jedné nebo druhé třídy.

R je označení uhlovodíkového substituentu (radikálu).

Radikály mohou obsahovat vícenásobné vazby, které lze také považovat za funkční skupiny, protože vícenásobné vazby přispívají k chemickým vlastnostem látky.

Pokud molekula organické látky obsahuje dvě nebo více funkčních skupin, nazýváme takové sloučeniny polyfunkční.