CCI2014052829

1.7    Hybrydyzacja: orbitale sp³ i struktura metanu 11

jądrami, która prowadzi do maksymalnej trwałości układu (rys. 1.9). Nosi ona nazwę długości wiązania, która w cząsteczce H₂ wynosi 74 pm. Każde wiązanie atomowe ma swoją charakterystyczną siłę i długość.

Rys. 1.9 Krzywa zależności energii od odległości między jądrami dwóch atomów wodoru. Odległość w punkcie o najniższej energii nosi nazwę długości wiązania

1.7

Hybrydyzacja: orbitale sp³ i struktura metanu

Linus Carl Pauling

Linus Carl Pauling (1901-1994); ur. w Portland, Oregon, USA, jako syn aptekarza. Po ukończeniu studiów w Oregon State University, w 1925 roku otrzymał doktorat w California Institute of Technology. W Instytucie tym był w latach 1925-1967 profesorem chemii, a następnie w latach 1974-1994 w University of California w San Diego oraz w Stanford University.

Pauling był gigantem nauki. Dokonał fundamentalnych odkryć w wielu dziedzinach - od wiązania chemicznego, poprzez biologię molekularną do medycyny.

Przez całe życie był pacyfistą.

Jest jedynym laureatem, który uzyskał indywidualnie dwie Nagrody Nobla w różnych dziedzinach: pierwszą w 1954 roku z chemii i drugą w 1963 roku - nagrodę pokojową.

Wiązanie w cząsteczce wodoru jest całkowicie prostoliniowe, lecz sytuacja staje się bardziej złożona w cząsteczkach organicznych z czterowartościowymi atomami węgla. Zacznijmy rozważania od prostego przypadku - od metanu, CH₄. Atom węgla ma cztery elektrony w swojej powłoce walencyjnej (2s²2p²) i może tworzyć cztery wiązania z atomami wodoru. Wzory strukturalne Lewisa wyglądają następująco:

H

•Ć-    H-C-H

ii

Ponieważ atom węgla używa dwóch rodzajów orbitali (2s i 2p) do tworzenia wiązań, możemy oczekiwać, że metan ma dwa rodzaje wiązań C—H. W rzeczywistości jednakże, wszystkie cztery wiązania C—H w metanie są identyczne i są przestrzennie ukierunkowane ku narożnikom czworościanu foremnego (tetraedru) (patrz rys. 1.6). W jaki sposób można to wytłumaczyć?

Odpowiedź zasugerował w 1931 roku Linus Pauling, który stosując metody matematyczne wykazał, w jaki sposób orbital s i trzy orbitale p mogą ulec wymieszaniu (hybrydyzacji), tworząc cztery równocenne orbitale atomowe o geometrii tetraedrycznej. Te tetraedrycznie zorientowane orbitale, przedstawione na rys. 1.10, noszą nazwę hybryd sp³. Wykładnik „3” w hybrydzie sp³ wskazuje, że 3 orbitale atomowe typup łączą się, tworząc hybrydę, a nie, że hybrydę zajmują 3 elektrony.

Pojęcie hybrydyzacji tłumaczy, w jaki sposób atom węgla tworzy cztery równocenne wiązania tetraedryczne, ale nie tłumaczy, dlaczego się to dzieje. Kształt zhybrydyzowanego orbitalu sp³ sugeruje już odpowiedź. Gdy orbital s „miesza się” z trzema orbitalami p, powstałe orbitale zhybrydyzowane sp³ są niesymetryczne względem jądra. Jedna z dwóch pętli orbitalu sp³ jest znacznie większa od drugiej i dlatego lepiej nakłada się z orbitalem od innego atomu, gdy tworzy on wiązanie. W rezultacie, orbitale zhybrydyzowane sp³ tworzą silniejsze wiązanie, niż czynią to niezhybrydyzowane orbitale s lub p.