Hybridation chimique sp, sp2, sp3

Le hybridation chimique est le "mélange" des orbitales atomiques, dont le concept a été introduit par le chimiste Linus Pauling en 1931 pour couvrir les imperfections de la théorie du lien de Valence (TEV). Quelles imperfections? Ce sont: les géométries moléculaires et les longueurs de liaison équivalentes dans des molécules comme le méthane (CH₄).

Selon le TEV, en méthane, les orbitales atomiques de C forment quatre liaisons σ avec quatre atomes d’H. Les orbitales 2p avec les formes forma (image du bas) de C sont perpendiculaires les unes aux autres. d'autres à un angle de 90º.

De plus, l’orbite 2s (sphérique) de C est liée à l’orbitale 1s du H avec un angle de 135º par rapport aux trois autres H. Cependant, expérimentalement, il a été constaté que les angles dans le CH₄ ils sont 109,5º et que, de plus, les longueurs des liaisons C-H sont équivalentes.

Pour expliquer cela, une combinaison des orbitales atomiques d'origine doit être considérée comme formant quatre orbitales hybrides dégénérées (d'énergie égale). Ici, l'hybridation chimique entre en jeu. Comment sont les orbitales hybrides? Cela dépend des orbitales atomiques qui les génèrent. De même, ils présentent un mélange de caractéristiques électroniques de ceux-ci.

Index

• 1 hybridation sp3
  • 1.1 Interprétation
  • 1.2 Déviations des angles de liens
• 2 hybridation sp2
• 3 hybridation sp
• 4 références

Hybridation sp³

Dans le cas de CH₄, l'hybridation de C est sp³. À partir de cette approche, la géométrie moléculaire est expliquée avec quatre orbitales sp³ séparés à 109,5º et orientés vers les sommets d'un tétraèdre.

Dans l'image ci-dessus, vous pouvez voir comment les orbitales sp³ (vert) établir un environnement électronique tétraédrique autour de l'atome (A, qui est C pour le CH₄).

Pourquoi 109.5º et pas d'autres angles, afin de "dessiner" une géométrie différente? La raison en est que cet angle minimise les répulsions électroniques des quatre atomes liés à A.

De cette façon, la molécule CH₄ il peut être représenté par un tétraèdre (géométrie tétraédrique).

Si, au lieu de H, C formait des liens avec d'autres groupes d'atomes, quelle serait alors son hybridation? Tant que le carbone forme quatre liaisons σ (C-A), son hybridation sera sp³.

On peut supposer que dans d’autres composés organiques tels que le CH₃OH, CCl₄, C (CH₃)₄C₆H₁₂ (cyclohexane), etc., le carbone a une hybridation sp³.

Ceci est fondamental pour dessiner des structures organiques, où les carbones avec des liaisons simples représentent des points de divergence; c'est-à-dire que la structure ne reste pas dans un seul plan.

Interprétation

Quelle est l'interprétation la plus simple pour ces orbitales hybrides sans aborder les aspects mathématiques (les fonctions d'onde)? Les orbitales sp³ ils impliquent qu'ils ont été créés par quatre orbitales: un s et trois p.

Parce que la combinaison de ces orbitales atomiques est supposée être idéale, les quatre orbitales sp³ résultant sont identiques et occupent des orientations différentes dans l'espace (comme dans les orbitales p_x, p_et et p_z).

Ce qui précède est applicable au reste des hybridations possibles: le nombre d'orbitales hybrides formées est le même que celui des orbitales atomiques combinées. Par exemple, les orbitales hybrides sp³d² elles sont formées de six orbitales atomiques: une s, trois p et deux d.

Déviations des angles de liens

Selon la théorie de la répulsion des paires électroniques de la couche de Valence (VSEPR), une paire d'électrons libres occupe plus de volume qu'un atome lié. Les liens s’éloignent, ce qui diminue la tension électronique et détourne les angles de 109,5º:

Par exemple, dans la molécule d'eau, les atomes H sont liés aux orbitales sp³ (en vert), et aussi les paires d'électrons non partagés ":" occupent ces orbitales.

Les répulsions de ces paires d'électrons sont généralement représentées par "deux globes avec des yeux", qui, en raison de leur volume, repoussent les deux liaisons σ O-H.

Ainsi, dans l’eau, les angles des maillons sont en réalité de 105º au lieu des 109,5º prévus pour la géométrie tétraédrique.

Quelle géométrie a H alors?₂O? Il a une géométrie angulaire. Parce que? Parce que, bien que la géométrie électronique soit tétraédrique, deux paires d’électrons non partagés la réduisent à une géométrie moléculaire angulaire.

Hybridation sp²

Lorsqu'un atome combine deux orbitales p et une orbitale, il génère trois sp²; cependant, une orbitale p reste inchangée (car elles sont trois), ce qui est représenté par une barre orange dans l'image supérieure.

Ici, les trois orbitales sp² ils sont verts pour souligner leur différence avec la barre orange: l'orbitale "pure".

Un atome avec l'hybridation sp² peut être visualisé comme un plancher trigonal plat (le triangle dessiné avec les orbitales sp² vert), avec leurs sommets séparés par des angles de 120º et perpendiculaires à une barre.

Et quel rôle joue le pur orbital? Celle de former une double liaison (=). Les orbitales sp² ils permettent la formation de trois liaisons σ, tandis que l'orbite p pure une liaison π (une liaison double ou triple implique une ou deux liaisons π).

Par exemple, dessiner le groupe carbonyle et la structure de la molécule de formaldéhyde (H₂C = O), procède comme suit:

Les orbitales sp² C et O forment une liaison σ, tandis que leurs orbitales pures forment une liaison π (le rectangle orange).

On peut voir comment les autres groupes électroniques (atomes d’H et paires d’électrons non partagés) sont situés dans les autres orbitales sp.², séparés par 120º.

Hybridation sp

L'image supérieure montre un atome A avec une hybridation sp. Ici, une orbitale et une orbitale p se combinent pour créer deux orbitales sp dégénérées. Cependant, maintenant, deux orbitales p p restent inchangées, ce qui permet à A de former deux doubles liaisons ou une triple liaison (≡).

En d'autres termes: si dans une structure un C est conforme à ce qui précède (= C = ou C≡C), alors son hybridation est sp. Pour d'autres atomes moins illustratifs - comme les métaux de transition - la description des géométries électroniques et moléculaires est compliquée car les orbitales d et même les f sont également considérées.

Les orbitales hybrides sont séparées par un angle de 180º. Pour cette raison, les atomes liés sont disposés selon une géométrie moléculaire linéaire (B-A-B). Enfin, dans l'image ci-dessous, vous pouvez voir la structure de l'anion cyanure:

Références

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