Δήμητρα Σπανού, χημικός, συνταξιούχος καθηγήτρια Μέσης Εκπαίδευσης από 30-6-2025
υπό κατασκευή
ΤΡΟΧΙΑΚΟΣ ΥΒΡΙΔΙΣΜΟΣ ΣΕ ΑΤΟΜΙΚΑ ΤΡΟΧΙΑΚΑ
Στην περίπτωση που ένα άτομο συνδυάζεται με άλλα για σχηματισμό χημικού δεσμών συνδυάζονται προηγουμένως οι ατομικές κυματοσυναρτήσεις του και δημιουργούν άλλες διαφορετικής μορφής συνδιαστικές, ίσες στον αριθμό, που είναι ευνοικότερες .
Ο εκ νέου συνδυασμός και αναδιάταξη των τροχιακών της θεμελιώδους ηλεκτρονιακής δομής ενός ατόμου με πρόσθεση ή αφαίρεση ατομικών τροχιακών με αποτέλεσμα την δημιουργία νέων τροχιακών, γινεται με την πρόσθεση ή αφαίρεση ατομικών τροχιακών στο ίδιο άτομο.
Αυτά, είναι πλέον ισότιμα ενεργειακά και στην γεωμετρία του χώρου ( Υβριδοποιημένα ατομικά τροχιακά).
Στην στοιβάδα σθένους μεγιστου αριθμού ηλεκτρονίων 8 έχουμε δύο υποστοιβάδες την s με ένα τροχικό και την p με τρία τροχιακά px, py, pz.
Με τον τροχιακό υβριδισμό τα ατομικά τροχιακά (s, p, d, f) αναμειγνύονται για την παραγωγή πανομοιότυπων τροχιακών που είναι ισοδύναμα και με δική τους τοποθέτηση στον χώρο*, με στόχο την πληρέστερη επικάλυψη με τα ατομικά τροχιακά που εμπλέκονται στον χημικό δεσμό*
*Παραδείγματα: . Υβριδισμός sp3 με γωνία μεταξύ των τροχιακών 109,5ο, sp2 με γωνία 120ο και sp με γωνία 180ο .
Υβριδικά τροχιακά , είναι τροχιακά που προκύπτουν από την μίξη ατομικών τροχιακών και αυτό οδηγεί στην δημιουργία νέων ισότιμων τροχιακών που ονομάζονται υβριδικά τροχιακά Αυτά είναι ίσα σε αριθμό με τα ατομικά που συγχωνεύονται, για την υβριδοποίησή τους τα τροχιακά αυτά απαιτούν ενέργεια όμως η συνολική ενέργεια των υβριδικών τροχιακών μετά την δημιουργία χημικού δεσμού, είναι χαμηλότερη από το άθροισμα των ενεργειών των αρχικών ατομικών που υβριδοποιούνται .
ΑΞΙΩΜΑ. Υβριδικά ατομικά τροχιακά χρησιμοποιούνται μόνο όταν το άτομο προκειται να σχηματίσει χημικούς δεσμούς των τροχιακών της θεμελιώδους ηλεκτρονιακής δομής ενός ατόμου.
Οι προϋποθέσεις γι τον σχηματισμό υβριδικών ατομικών τροχιακών είναι:
1. Το υβριδικό ατομικό τροχιακό πρέπει να παρέχει μεγαλύτερη επικάλυψη με το γειτονικό ατομικό τροχιακό ("αμιγές ή υβριδοποιημένο) με το οποίο θα δημιουργήσει δεσμό από αυτήν χωρίς την υβριδοποίηση
2. Ο σχηματισμός χημικού δεσμού πρέπει να περιλαμβάνει μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια δηλαδή τροχιακά των οποίων το συνολικό σπιν να μην είναι ίσο με μηδέν
3. Μετά την δυμιουργία του χημικού δεσμού να υπάρχει ενεργειακό κέρδος συνολικά
ΥΒΡΙΔΙΣΜΟΣ ΑΤΟΜΙΚΩΝ ΤΡΟΧΙΑΚΩΝ ΣΘΕΝΟΥΣ ΚΑΙ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗ
Κατά τη δημιουργία χημικού δεσμού έχουμε επίσης έναν γραμμικό συνδυασμό των μονοηλεκτρονικών ατομικών τροχιακών ανάλογο με αυτόν στα μοριακά τροχιακά με την προσέγγιση δεσμού σθένους και εδώ εμφανίζονται τα ατομικά τροχιακά ως εξής:.
Παρατηρήθηκε ότι ο χημικός δεσμός είναι ισχυρότερος εάν υπάρχει μεγάλύτερη επικάλυψη των ατομικών τροχιακών με τα "αμιγή" τροχιακά των ατομικών τροχιακών που συνδέονται.
Κατά τη δημιουργία του χημικού δεσμού ένα ατομικό τροχιακό μπορεί να αλλάξει το σχήμα και να πάρει ένα "σχήμα" που να του επιτρέπει μεγαλύτερη επικάλυψη.
ΥΒΡΙΔΙΣΜΟΣ ΑΤΟΜΙΚΩΝ ΤΡΟΧΙΑΚΩΝ ΣΘΕΝΟΥΣ ΚΑΙ ΕΞΙΣΩΣΗ SCHRODINGER
Αυτό όμως δείχνει ότι το Ατομικό τροχιακό δεν είναι ακριβώς αυτό που προκύπτει από την εξίσωση Schrodinger αλλά έχει τροποποιηθεί.
Από μαθηματική άποψη ητροποποίηση αυτή σημαίνει ότι έχει επιλεγεί ένας γραμμικός συνδυασμός των ατομικών τροχιακών ώστε να δίνει μια πιο ακριβή λύση της εξίσωσης Schrodinger και αυτό ονομάζεται Υβριδισμός Ατομικών Τροχιακών
Στην στοιβάδα σθένους μεγιστου αριθμού ηλεκτρονίων 8 έχουμε δύο υποστοιβάδες την s με ένα τροχικό και την p με τρία τροχιακά px, py, pz.
Αποτέλεσμα είναι η δημιουργία νέων υβριδοποιημένων τροχιακών (s, px, py, pz) , που είναι πλέον ισότιμα ενεργειακά και στην γεωμετρία του χώρου
Παραδείγματα υβριδισμού ατομικών τροχιακών
Υβριδοποίηση μπορεί να έχουμε και στα 4 τροχιακά του φλοιού s, px, py, pz(sp3 υβριδισμός) ή σε τρία s, px, py (sp2 υβριδισμός) σε δύο s, px.(sp υβριδισμος) γραμμικός συνδυασμός των ατομικών τροχιακών ώστε να δίνει μια πιο ακριβή λύση της εξίσωσης Schrodinger
Από τον υβριδισμό s px, py, και pz τροχιακών κατασκευάζονται τέσσερα sp3 υβριδικά τροχιακά
Οι κυματοσυναρτήσεις από τον sp3 υβριδισμό είναι
φ1 = f(s) + f(p)x + f(p)y + f(p)z ; φ2 = f(s) — f(p)x + f(p)y + f(p)z
φ3 = f(s) + f(p)x — f(p)y + f(p)z ; φ4 = f(s) + f(p)x + f(p)y — f(p)z
Τα τέσσερα τροχιακά βρίσκονται στις κορυφές κανονικού τετράεδρου που το άτομο βρίσκεται στο κέντρο του και σχηματίζουν μεταξύ τους γωνία 109.5ο.
Από τον υβριδισμό s px και py τροχιακών κατασκευάζονται τρία sp2 υβριδικά τροχιακά
Οι κυματοσυναρτήσεις από τον sp2 υβριδισμό είναι
φ1 = f(s) + f(p)x + f(p)y ; φ2 = f(s) — f(p)x + f(p)y ; φ3 = f(s) + f(p)x — f(p)y
Τα τρία τροχιακά βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο σχηματίζοντας γωνία 120ο.
Από τον υβριδισμό s και px τροχιακών κατασκευάζονται δύο sp υβριδικά
Οι κυματοσυναρτήσεις από τον sp υβριδισμό είναι φ± = 1/2 × [f(s) ± f(p)] Τα
Τα δύο τροχιακά βρίσκονται στην ίδια γραμμή σχηματίζοντας γωνία 180ο.
ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΟΦΕΛΟΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΥΒΡΙΔΟΠΟΙΗΣΗ
Τι ελιναι όμως αυτό που απαιτεί την μετατροπή των αρχικών ατομικών τροχιακών όταν πρόκειται να γίνει μεγαλύτερη πραγματοποιηθεί χημικός δεσμός; Η απάντηση είναι η ανάγκη να εξοικονομηθεί η απαιτούμενη ενέργεια για τον δεσμό αυτό. Ο υβριδισμός των τροχιακών του ατόμου που πρόκειται να συνδεθούν με χημικούς δεσμούς με άλλα άτομα γίνεται με στόχο την εξοικονόμηση αυτής της ενέργειας*
Η ενέργεια που εξοικονομείται αντισταθμίζεται από το γεγονός ότι οι δεσμοί που πραγματοποιούνται είναι ισχυρότεροι λόγω της αυξημένης πυκνότητας των ηλεκτρονίων
* Παρ ότι η υβριδική κατάσταση είναι περισσότερο δαπανηρή από την κανονική, (ο υβριδισμός του άνθρακα για παράδειγμα απαιτεί ενεργειακή δαπάνη 270kj/ml ωστόσο η απώλεια αντισταθμίζεται λόγω της αυξημένης πυκνότητας των ηλεκτρονίων οι δεσμοί είναι ισχυρότεροι
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΥΒΡΙΔΟΠΟΙΗΜΕΝΩΝ ΑΤΟΜΙΚΩΝ ΤΡΟΧΙΑΚΩΝ
Τώρα τα νέα ατομικά τροχιακά του μορίου διαφέρουν σημαντικά στο σχήμα τον προσανατολισμό με τα αρχικά. Τα νέα τροχιακά λέγονται υβριδικά
1. Στο σχήμα βλέπουμε τον υβριδισμό δύο ατομικών τροχιακών του Βηρυλίου (Ένα s και ένα p) που γίνεται προκειμένου το βηρύλιο να σχηματίση χημικό δεσμό με δύο άτομα χλωρίου BeCl2 καθώς και την διαφορά στην ενέργεια των ατομικών τροχιακών αρχικά και των υβριδοποιημένων
Yβριδοποιηση sp3 με συμετοχή ενός s ατομικό τροχιακό και τα τρία p ατομικό για
4 sp3 υβριδικά ατομικά τροχιακά ισότιμα και μεταξύ τους γωνία στον χώρο 109ο και 28΄
Yβριδοποιηση με συμετοχή ενός s ατομικό τροχιακό και δύο από τα τρία p ατομικό τροχιακό για 3 sp2 υβριδικά ατομικά τροχιακά ισότιμα και μεταξύ τους γωνια στο επίπεδο 120ο.
Yβριδοποιηση με συμετοχή ενός s ατομικό
τροχιακό και
ενός από τα τρία p ατομικό τροχιακό για 2 sp υβριδικά ατομικά τροχιακά ισότιμα και μεταξύ τους γωνια 180ο.
Υβριδοποίηση των τροχιακών σθένους του ατόμου του αζώτου στο μόριο της αμμωνίας
Στην αμμωνία έχουμε υβριδοποίηση των 2s2, 2p3.
Αυτό αποδεικνύεται από την γεωμετρία χώρου του μορίου, και από τις γωνίες των τριών ομοιοπολικών δεσμών του αζώτου με τα 3 υδρογόνα όπου τα 3 ημισυμπληρωμένα sp3 ατομικά τροχιακά Αζώτου δημιουργούν μοριακά τροχιακά με τα 3 s1 ατομικά τροχιακά των τριών ατόμων Υδρογόνου
Ο ΕΚΦΥΛΙΣΜΟΣ ΣΤΑ ΥΒΡΙΔΟΠΟΙΗΜΕΝΑ ΑΤΟΜΙΚΑ ΤΡΟΧΙΑΚΑ
Τα υβριδοποιημένα ατομικά τροχιακά είναι προφανώς εκφυλισμένα εφόσον είναι ίσης ενέργειας αλλά μπορεί να γίνει άρση του εκφυλισμού τους.
τΓίνεται άρση εκφυλισμού σα επίπεδα των υβριδοποιημένων -εκφυλισμένων ατομικών τροχιακών εφόσον δεχθούν επιρροή από εξωτερικό μαγνητικό πεδίο ώστε να διαφοροποιηθούν
ΘΕΩΡΙΕΣ ΓΙΑ ΤΟΝΑΤΟΜΙΚΟΣ ΤΡΟΧΙΑΚΟ ΥΒΡΙΔΙΣΜΟ ( L. Pauling 1931 )
Η έννοια του υβριδισμού σε γειτονικά ατομικά τροχιακά του ίδιου του μορίου προτάθηκε από τον Αμερικανό Χημικό Linus Pauling για να εξηγήσει τα τροχιακά δεσμού σθένους πολυπλόκων μορίων στα οποία, αν και η ενέργεια αυτών στο κεντρικό άτομο υπολογίζονταν αρχικά διαφορετική, σχημάτιζαν δεσμούς ισοδύναμους (σε σύνδεση με ίδιους προσδέτες)
Η έννοια της δημιουργίας υβριδικών ατομικών τροχιακών χρησιμοποιεί την αρχή της κβαντικής υπέρθεσης
Αυτή η αρχή υποστηρίζειότι εάν ένα σύστημα μπορεί να βρίσκεται σε πολλές πιθανές καταστάσεις τότε η πλήρης κατάστασή του μπορεί να αναπαρασταθεί ως γραμμικός συνδυασμός των καταστάσεων αυτών. Αυτή η ιδέα αποτελεί βάση πολλών κβαντικών φαινομένων κυρίως στην κατανόηση της συμπεριφοράς σωματιδίων και χρησιμοποιείται στην προσεγγιστική θεωρία των μοριακών τροχιακών
Σε αντίθεση με αυτήν, η θεωρία του ατομικού τροχιακού υβριδισμού υποστηρίζει ότι στο άτομο υπάρχουν διαφορετικά σ τροχιακά σθένους (s, p, d).
Η θεωρία αυτή χρησιμοποιείται στην προσεγγιστική θεωρία δεσμών σθένους και στην ερμηνεία της υποθετικής τροποποίησης των ατομικών τροχιακών κατά τον σχηματισμό ομοιοπολικού χημικού δεσμου.
(παράδειγμα από τη θεωρία δεσμού σθένους : Για ένα σύστημα που βρίσκεται σε δύο κβαντικές καταστάσεις που περιγράφονται με τις συναρτήσεις ψ1 και ψ2 , τότε η πλήρης κατάσταση του συστήματος είναι η |ψ⟩ = γ1|ψ1⟩ + γ2|ψ2⟩ )
Για έναν υβριδισμό sp
Ψ (sp-АО) = С1 Ψ (s-АО) + С2 Ψ (p(x)-АО)
Εκδηλώνεται σαν διάσπαση των φασματικών γραμμών των ατόμων, των μορίων και των κρυστάλλων κατά την διάρκεια κβαντικών μεταβάσεων μεταξύ επιπέδων POD υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου.
Το πεδίο μπορεί να θεωρηθεί ομογενές ώστε η ενέργεια Εc ενός κβαντικού συστήματος σε ένα ομοιογενές μέγεθος αλλάζει κατά την τιμή
H μέθοδος του Stark δίίνει ιόχι μόνο ακριβείς τιμές της διάνοιξης των ενεργειακών επιπέδων των τροχιακών που έγινε άρση του εκφυλισμού τους,
αλλά και την κατεύθυνση του διανύσματός τους, ώστε έγινε δυνατό να υπολογιστούν θεωρητικά και αργότερα να επιβεβαιωθούν πειραματικά οι διασπάσεις D πολλών μορίων
ατό να υπολογιστούν θεωρητικά
ΠΗΓΕΣ
Κεφάλαιο 2. Δομή Μορίων | Βιβλίο Lime
Υβριδικά Ατομικά Τροχιακά - Χημεία. "Πρώτα τα άτομα"
Zeeman Effect - Εγχειρίδιο Χημικού 21
Τροχιακός υβριδισμός - Βικιπαίδεια
Εκφυλισμένα ατομικά τροχιακά - Εγχειρίδιο Χημικού 21
Η αρχή της υπέρθεσης | Κβαντομηχανική. Σχολικό βιβλίο
Τροχιακός υβριδισμός - Βικιπαίδεια
Молекулярные орбитали - Органическая химия
Η έννοια του ατομικού τροχιακού υβριδισμού εισήχθη τη δεκαετία του 1930 από τον L. Pauling. Η έννοια του τροχιακού υβριδισμού σχετίζεται στενά με την έννοια των εντοπισμένων MOs.
...Οι MOs που είναι μη εντοπισμένες σε πολλά κέντρα ενός μορίου, οι οποίες λαμβάνονται με την επίλυση των εξισώσεων Roothaan (4.62), που ονομάζονται κανονικά MOs, μπορούν να μετασχηματιστούν σε έναν άλλο τύπο MOs, εντοπισμένο σε συγκεκριμένους δεσμούς (ή θραύσματα) του μορίου. Τέτοιες MOs ονομάζονται εντοπισμένες και ορίζονται ως LMOs..." Αν εξετάσουμε τις κυματοσυναρτήσεις των κανονικών μη εντοπισμένων MOs του μεθανίου
[3, σελ. 386]:
Ψ1 = A(2S) + B(Ha + Hb + Hc + Hd)
Ψ2 = A(2px) + B(Ha + Hb - Hc – Hd)
Ψ3 = A(2py) + B(Ha - Hb - Hc + Hd)
Ψ4 = A(2pz) + B(Ha - Hb + Hc – Hd)
τότε είναι προφανές ότι οι κανονικές MOs είναι πλήρως μη εντοπισμένες
Είναι σαφές ότι τα κανονικά MOs είναι πλήρως αποκεντρωμένα σε όλα τα άτομα υδρογόνου στο μόριο και δεν εντοπίζονται σε μεμονωμένους δεσμούς C-H. Δεδομένου ότι κάθε κανονικό MO
περιλαμβάνει τα τροχιακά 1s και των τεσσάρων ατόμων υδρογόνου, κάθε MO είναι αποκεντρωμένο
σε και τους τέσσερις δεσμούς C-H, και επομένως η έννοια ενός εντοπισμένου χημικού δεσμού είναι άνευ νοήματος (σε αυτήν την περιγραφή). Επιπλέον, το παρουσιαζόμενο σύστημα εξισώσεων
επιβεβαιώνεται από πειραματικά δεδομένα φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων, τα οποία
δείχνουν σαφώς την παρουσία δύο ενεργειακών επιπέδων στο μόριο μεθανίου:
το πρώτο δυναμικό ιονισμού του μεθανίου (13,2 eV) αντιστοιχεί στην αποκόλληση ενός ηλεκτρονίου από
ένα από τα τροχιακά Ψ(2,3,4)·
και το δεύτερο «πρώτο» δυναμικό ιονισμού του μεθανίου (22,1 eV) αντιστοιχεί στην αποκόλληση
ενός ηλεκτρονίου από το τροχιακό Ψ1 [3, σελ. 386].
Η παρουσία δύο «πρώτων» δυναμικών ιονισμού στο μόριο μεθανίου δεν μπορεί να εξηγηθεί χρησιμοποιώντας ισοδύναμα υβριδισμένα MOs, καθώς με μια τέτοια περιγραφή όλοι οι δεσμοί στο
Τα ηλεκτρόνια του μεθανίου είναι απολύτως ισοδύναμα, που σημαίνει ότι και τα οκτώ ηλεκτρόνια είναι επίσης ισοδύναμα (και επομένως το πρώτο δυναμικό ιονισμού πρέπει να είναι το ίδιο). Ωστόσο, τα δεδομένα της φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων δείχνουν ότι αυτή η περιγραφή δεν ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα. Ωστόσο, είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι αν η μέθοδος MO αναλυθεί από την άποψη της κβαντομηχανικής, ούτε αυτή ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα, καθώς έρχεται σε αντίθεση με την αρχή της κβαντικής υπέρθεσης [4].
Μπορεί να αποδειχθεί ότι η θεωρία υβριδισμού έρχεται σε αντίθεση και με την αρχή της κβαντικής υπέρθεσης. Αυτό είναι εμφανές από το γεγονός ότι στη θεωρία υβριδισμού, τα υβριδικά AOs λαμβάνονται με ανάμειξη των αντίστοιχων AOs (s-, p-, d-) ενός συγκεκριμένου ατόμου, δηλαδή, λαμβάνονται από έναν γραμμικό συνδυασμό AOs [3, σελ. 387]. Ωστόσο, από την αρχή της κβαντικής υπέρθεσης,
συνεπάγεται αυστηρά ότι ένας γραμμικός συνδυασμός AOs δεν μπορεί να παράγει μια «νέα ποιότητα», δηλαδή, ένα υβριδικό AO (ή MO) [4, σελ. 3–5]. Σε αυτήν την περίπτωση, είναι άσχετο αν τα αρχικά AOs ανήκουν σε ένα μόνο άτομο (θεωρία υβριδισμού) ή σε διαφορετικά άτομα (θεωρία MO).
Υπενθυμίζεται ότι η θεωρία MO κάνει μια θεμελιώδη υπόθεση, δηλαδή,
ότι η κυματοσυνάρτηση ενός μονοηλεκτρονιακού μοριακού τροχιακού Ψmo είναι ένας γραμμικός
συνδυασμός μονοηλεκτρονιακών AOs διαφορετικών ατόμων. Έτσι, για ένα διατομικό μόριο A-B, λαμβάνουμε την εξίσωση [5
Ψ MO = C1 Ψ A(AO) + C2 Ψ B(AO)
Στον υβριδισμό, έχουμε επίσης έναν γραμμικό συνδυασμό μονοηλεκτρονιακών AO, αλλά αυτή τη φορά ενός μόνο ατόμου, για παράδειγμα, άνθρακα. Για ένα τροχιακό με υβριδισμό sp, αυτό μπορεί να γραφτεί ως εξής:
Ψ (sp-AO) = C1 Ψ (s-AO) + C2 Ψ (p(x)-AO)
Ο L. Pauling έδωσε μια ισοδύναμη σειρά τετραεδρικών τροχιακών (υβριδικών) για το μόριο του μεθανίου, βλέπε Σχήμα [6]: