sp3 Hybridized Orbitals and Sigma Bonds

Przypomnijmy sobie trochę o tym co już wiemy

na temat orbitali a o czym ja już mówiłem wcześniej przy okazji

playlisty z chemii regularnej. Powiedzmy, że to jest

jądro naszego atomu, bardzo małe, i że dookoła mamy

nasz pierwszy orbital, orbital 1s.

Orbital 1s, możesz go w pewnym sensie zobaczyć jako chmurę

dokoła jądra.

Zatem masz orbital 1s, na którym mieszczą się dwa elektrony,

więc pierwszy elektron znajdzie się na orbitalu 1s a

drugi elektron również zostanie umieszczony na orbitalu 1s.

Dla przykładu, wodór ma tylko jeden elektron, zatem

znajdzie się on na 1s.

Hel ma 1 elektron więcej, zatem on również

znajdzie się na orbitalu 1s.

Po zapełnieniu tego orbitalu, przenosisz się na orbital 2s.

Orbital 2s, możesz go zobaczyć jako powłokę dokoła orbitalu 1s,

i inne takie, nie możesz ich naprawdę zobaczyć

w konwencjonalnym znaczeniu tego słowa.

Możesz w pewnym sensie zobaczyć je jako chmurę prawdopodobieństwa

znalezienia elektronu.

Ale w celu wizualizacji wyobraź sobie, że

jest to rodzaj powłoki dokoła orbitalu 1s.

Wyobraź sobie zatem, że jest to rodzaj niewyraźnej powłoki dokoła orbitalu 1s,

więc jest ona dokoła orbitalu 1s, i twój następny

elektron znajdzie się tutaj.

Potem czwarty elektron również pójdzie tutaj, i narysowałem

te strzałki w dół i w górę ponieważ pierwszy

elektron idący na orbital 1s ma jeden spin a potem

następny elektron idący na orbitę 1s będzie miał

przeciwny spin, i w ten sposób będą się one parować.

Mają przeciwne spiny.

Teraz, jeżeli będziemy dodawać kolejne elektrony, teraz przejdziemy do

orbitali 2p.

Właściwie, możesz zobaczyć to tak jakby były trzy orbitale 2p

i każdy z nich trzymałby dwa elektrony, zatem na orbitalach 2p

może znaleźć się całkowita liczba sześciu elektronów.

Narysuję to żebyś mógł to sobie wyobraziź.

Zatem jeżeli mielibyśmy opisać naszą oś tutaj, myślę,

że w trzech wymiarach.

Wyobraź sobie więc, że tutaj jest oś x.

Zrobię to w różnych kolorach.

Powiedzmy, że tutaj jest nasza oś y

a tutaj mamy oś z.

Zrobię to w niebieskim.

Powiedzmy, że oś z wygląda tak.

Orbital p sytuuje się na tych osiach

w ten sposób.

Możesz zatem mieć swój 2 - zrobię to

w tym samym kolorze.

Zatem masz swój sub x orbital 2p, wyglądający

jak coś w kształcie sztangi idącego w

stronę x.

Zrobię co w mojej mocy by to narysować.

Jest to kształt sztangi idący w stronę x

właściwie w obie strony, i jest on symetryczny.

Rysuję ten koniec większy niż tamten koniec, więc wygląda to jakby

wychodził trochę do przodu, ale spróbuję

trochę lepiej.

Mogę zrobić to lepiej.

I może wygląda to tak.

Pamiętaj, są to jedynie chmury prawdopodobieństwa, ale

pomaga to je zwizualizować jako trochę podobne

do rzeczy, które możemy zobaczyć w naszym świecie, ale

myślę, że chmura prawdopodobieństwa to najlepszy sposób myślenia o nich.

Zatem, mamy orbital 2px, a ja nie powiedziałem

o tym, jak one się zapełniają, ale masz też swój

orbital 2py, który leży na tej osi, ale podobnie jak poprzedni,

w kształcie sztangi w kierunku y, idąc w dwie strony

wzdłuż osi y, idąc w tę stronę

i w tę stronę.

Potem, oczywiście, zrobię więc to 2py, a potem

masz również 2pz, który idzie w stronę osi z w górę

jak tutaj i w dół jak tutaj.

Zatem kiedy dalej dodajesz elektrony, pierwszy - jak na razie,

dodaliśmy cztery elektrony.

Jeżeli dodasz piąty elektron, spodziewałbyć się, że pójdzie

tutaj, na orbital 2px

Zatem nawet mimo że orbital 2px może przyjąć dwa elektrony,

pierwszy pójdzie tutaj.

Następny nie pójdzie tutaj.

Właściwie to chce on odseparować się w obrębie orbitalu p,

zatem następny elektron, który dodasz nie pójdzie na 2px,

pójdzie na 2py.

A następny po nim nie pójdzie na 2py ani 2px,

pójdzie na 2pz.

Próbują się odseparować.

Następnie, jeśli dodasz kolejny elektron -

zobaczmy, dodaliśmy jeden, dwa, trzy, cztery, pięć, sześć, siedem.

Jeżeli dodasz ósmy elektron, który następnie pójdzie na orbital 2px

zatem ósmy elektron pójdzie tutaj, ale

będzie miał przeciwny spin.

Jest to więc mały przegląd z odrobiną

wizualizacji.

Teraz, mając na uwadze to co widzieliśmy, pomyślmy o

tym co dzieje się z węglem.

Węgiel ma 6 elektronów.

Jest to konfiguracja elektronowa, jest to 1s2, dwa elektrony na

orbitalu 1s.

Potem 2s2, potem 2p2, prawda?

Zostały tylko dwa, ponieważ węgiel ma

razem sześć elektronów.

Dwa idą tutaj, potem tutaj, potem dwa pozostają

aby wypełnić orbital p.

Jeżeli bazujesz na tym co właśnie narysowaliśmy i o czym właśnie

rozmawialiśmy, czego oczekiwałbyś od węgla -

narysuję to tak jak tutaj.

Zatem masz orbital 1s, orbital 2s, a potem

masz orbital 2px, 2py, a potem masz

orbital 2pz.

Jeżeli będziemy wnioskować bezpośrednio z konfiguracji elektronowej,

dla węgla oczekiwałbyś, zatem orbital 1s wypełnia się pierwszy,

więc to jest nasz pierwszy elektron, nasz drugi,

nasz trzeci elektron.

Potem mamy orbital 2s, wypełniany przez następny, trzeci

elektron, potem czwarty elektron.

Potem może oczekiwałbyś, że piąty elektron

znajdzie się na 2px.

Moglibyśmy powiedzieć 2py lub 2pz.

Zależy to wyłącznie od tego jak opiszesz osie.

Ale twój piąty elektron poszedłby na jeden z

orbitali p, i oczekiwałbyś, że

twój szósty elektron pójdzie na kolejny.

Zatem takiej mniej więcej konfiguracji

oczekiwałbyś dla węgla.

I jeżeli byśmy mieli to narysować - pozwól mi narysować nasze osie.

To jest nasza oś y a to jest nasza oś x.

Narysuję to nieco lepiej.

Zatem to jest oś x i, naturalnie, mamy naszą oś z.

Musisz spróbować myśleć w trzech wymiarach.

Potem masz oś z, właśnie tutaj.

Zatem najpierw wypełniamy orbital 1s, więc jeżeli nasze jądro jest

tutaj, nasz orbital 1s

zostaje zapełniony dwoma elektronami.

Możesz wyobrazić to sobie jako małą

chmurę dokoła jądra.

Potem wypełniamy orbital 2s i to byłaby chmura

dokoła, w rodzaju powłoki dokoła tego.

Potem położylibyśmy jeden elektron na orbitalu 2px, więc jeden

elektron zacząłby w pewnym sensie skakać lub poruszać się

dokoła, zależy jak chcesz o tym myśleć,

na tym orbitalu tutaj, 2px.

Dalej, miałbyś następny elektron skaczący dokoła lub

poruszający się dokoła orbitalu 2py, więc poruszałby się

dokoła mniej więcej tak.

Jeżeli na chwilę byśmy odeszli od tego tutaj, powiedziałbyś, wiesz co?

Ten koleś, ten koleś tutaj i tamten koleś tam

są samotni.

Poszukuje partnera z przeciiwnym spinem.

Są to jedyne miejsca, gdzie formują się wiązania.

Oczekiwałbyś uformowania pewnego rodzaju wiązań

z orbitalami x i y.

Tego byś właśnie oczekiwał jeżeli

w pewnym sensie pozostałbyś przy takim modelu tego jak rzeczy się wypełniają

i jak orbitale wyglądają.

Rzeczywistość węgla i, wydaje mi się, najprostsza rzeczywistość

węgla, jeżeli popatrzysz na cząsteczkę metanu, jest bardzo

różna od tego co oczekiwałbyś tutaj.

Po pierwsze, oczekiwałbyś od węgla,

że prawdopodobnie - może uformuje dwa wiązania.

Ale wiemy, że węgiel tworzy cztery wiązania i chce udawać,

że ma osiem elektronów.

Szczerze mówiąc, prawie każdy atom chce udawać, że ma

osiem elektronów.

Zatem aby było to możliwe, musisz

pomyśleć o innej rzeczywistości.

To nie jest to co naprawdę dzieje się kiedy węgiel tworzy wiązania,

nie to się dzieje podczas tworzenia wiązań przez węgiel.

W rzeczywistości podczas tworzenia wiązań przez węgiel, i to w pewnym sensie

dotyka dyskusji o hybrydyzacji sp3, ale

to co zobaczysz nie jest

aż tak skomplikowane.

Brzmi to bardzo zniechęcająco, ale jest to dosyć

proste.

To co się naprawdę dzieje kiedy węgiel tworzy wiązania, bo chce

tworzyć wiązania z innymi, to jego konfiguracja,

możesz sobie wyobrazić, wygląda mniej więcej tak.

Mamy zatem 1s.

Mamy tutaj dwa elektrony.

Mamy zatem nasze 2s, 2px, 2py i 2pz.

Teraz możesz sobie wyobrazić, że chce on utworzyć cztery wiązania.

Ma cztery elektrony, które chcą utworzyć pary z

elektronami z innych molekuł.

W przypadku methanu tą inną molekułą jest wodór.

Zatem możesz sobie wyobrazić, że w rzeczywistości elektrony...

może wodór przynosi ten elektron tutaj na

stan o wyższej energii i zostawia go na 2z.

Jest to jeden ze sposobów na zwizualizowanie tej sytuacji.

Zatem kolejny koleś może pojawić się tutaj, a potem

tamci dwaj tutaj i tam.

Nagle wygląda na to, że mamy czrterech samotnych kolesi

gotowych do utworzenia wiązań, i to w rzeczywistości jest

bardziej właściwe przedstawienie sposobu, w jaki węgiel tworzy wiązania.

Preferuje on tworzenie wiązań z czterema innymi elektronami.

Teraz, to gdzie elektrony docelowo się znajdą jest dość dowolne,

i nawet jeżeli miałbyś ten rodzaj wiązania,

oczekiwałbyś powiązań wzdłuż osi x, y

oraz z.

W rzeczywistości w przypadku węgla te cztery elektrony

na jego drugiej powłoce nie wyglądają tak...

pierwszy nie wygląda jakby był po prostu na orbitalu s

a potem te z p na x, y i z.

Wszystkie wyglądają, jakby były trochę na orbitalu

s i trochę na p.

Pozwól mi to wyjaśnić.

Zatem to zamiast być 2s, w rzeczywistości

dla węgla wygląda to jak orbital 2sp3.

To wygląda jak orbital 2sp3, to wygląda jak

orbital sp23, to wygląda jak orbital 2sp3.

Wszystkie wyglądają, jakby w pewnym sensie były na tym samym orbitalu.

Ten specjalny typ... brzmi to bardzo fantazyjnie.

Ten zhybrydyzowany orbital sp3, który w rzeczywistości wygląda jak

coś pomiędzy orbitalami s i p.

Ma w 25% naturę s i w 75% naturę p.

Możesz sobie go wyobrazić jako mieszankę tych czterech struktur.

To jest właśnie zachowanie węgla.

Zatem kiedy wymieszasz je wszystkie, zamiast mieć

orbital s, zatem to jest jądro i robimy

przekrój poprzeczny, a orbital s wygląda tak i orbital p

wygląda mniej więcej tak w przekroju.

Zatem to jest s i to jest p.

Kiedy wymieszają się, orbital wygląda mniej więcej tak.

Orbital sp3 wygląda mniej więcej tak.

To jest zhyrbydyzowany orbital sp3.

Hybryda to kombinacja dwóch rzeczy.

Samochód hybrydowy to połączenie gazu i elektryczności.

Orbital zhybrydyzowany to połączenie s i p.

Zhybrydyzowane orbitale sp3 to orbitale gdzie węgiel tworzy wiązania

z atomami takimi jak wodór lub tak naprawdę kiedy

wiąże się z czymkolwiek.

Zatem jeżeli patrzysz na cząsteczkę metanu, i ludzie

mówią o orbitalach zhybrydyzowanych sp2, mówią, że masz

węgiel w centrum.

Powiedzmy, że jądro węgla jest tutaj.

I zamiast posiadać jeden orbital s i trzy p, posiada on cztery

orbitale sp3.

Zatem pozwól mi spróbować swych sił w rysowaniu czterech orbitali sp3.

Powiedzmy że to jest duży garb i że w pewnym sensie

jest skierowane w pobliżu nas, i że ma mały garb z tyłu.

Potem jest kolejny z dużym garbem jak tutaj i

małym garbem z tyłu.

Potem masz kolejny, który wychodzi poza stronę, zatem

narysuję to tak.

Możesz sobie wyobrazić trójnożny stołek,

a jego mały garb wychodzi jak tutaj.

A potem masz jeden, w którym duży garb jest skierowany

w górę, a mały garb w dół.

Możesz wyobrazić to sobie jako trójnożny stołek.

Jeden z nich jest z tyłu w ten sposób i skierowany

w górę , zatem trójnożny stołek z czymś...

czymś jak trójnóg, to chyna jest najlepszy sposób

w jaki można o tym pomyśleć.

Zatem to jest jądro węgla w centrum a potem

masz wodory, więc to jest nasz węgiel.

Tutaj są wodory.

Tutaj mamy wodory.

Wodór ma tylko jeden elektron na orbitalu 1s, więc

wodór mam tylko orbital 1s.

Tutaj masz wodór, który ma tylko orbital 1s.

Tutaj ma wodór, orbital 1s,

tutaj wodór, orbital 1s.

Zatem w ten sposób orbital wodoru i węgla

mieszają się.

Orbitale 1s wodorów tworzą wiązania z... cóż, każdy z

orbitali 1a każdego wodoru z jednym z

orbitali sp3 węgla.

Zatem abyś mógł załapać ten typ oznaczenia, kiedy ludzie

mówią o zhybrydyzowanych orbitalach sp3, to co mówią

to że węgiel nie tworzy wiązań.

Kiedy węgiel - to tutaj to cząsteczka

metanu, prawda?

To jest CH4, lubn metan, i nie tworzy on

wiązań tak jak byś oczekiwał

po prostu z orbitalami s i p.

Jeżeli pozostałbyć przy zwykłych orbitalach s i p,

wiązania utworzyłyby się.

Może wodór byłby tutaj i tam,

a jeżeli byłyby cztery wodory, to może tu i tu, zależnie od

tego jak chciałbyś o tym myśleć.

Ale w rzeczywistości nie wygląda to w ten sposób.

Wygląda to bardziej jak trójnóg.

Ma kształt czworościenny.

Najlepszy sposób, w jaki można to wyjaśnić,

kształt struktury, to jeżeli miałbyś cztery

równie - cztery tego samego typu kształty orbitali, i te cztery

typy kształtów orbitali to hyrbydy pomiędzy orbitalami s i p.

Inny rodzaj zapisu, który dobrze znać , czasami ludzie myślą,

że to bardzo fantazyjny termin, to kiedy masz wiązanie pomiędzy dwiema molekułami,

kiedy orbitale w pewien sposób są skierowane na siebie,

zatem możesz wyobrazić sobie tutaj

orbital wodoru jest skierowany w tę stronę.

Ten orbital sp3 jest skierowany w tę stronę,

i nakładają się na siebie tutaj.

Jest to tak zwane wiązanie sigma, kiedy nałożenie

jest wzdłuż tej samej osi jak łączysz dwie molekuły.

Tutaj łączysz dwie molekuły, nałożenie jest na

tej samej osi.

Jest to najsilniejszy rodzaj wiązań kowalencyjny, i to będzie

dobra baza do dyskusji może w następnym wideo

kiedy będziemy rozmawiać o wiązaniach pi.

Najważniejszym co powinno zostać wyciągniętym z tego wideo

jest odpowiedź na pytanie co to oznacza?

Czym jest shybrydyzowany orbital sp3?

Niczym fantazyjnym, tylko

kombinacją orbitali s i p.

Ma w 25% charakter s i w 75% charakter p, co ma sens.

To właśnie dzieje się kiedy tworzą się wiązania węgla,

szczególnie w przypadku metanu.

To właśnie wyjaśnia jego tetraedryczną strujkturę.

Dlatego właśnie kąt między gałęziami wynosi

109.5 stopnia, co niektórzy nauczyciele mogą

uznać za istotne.

Jeżeli weźmiesz ten kąt tutaj, 109.5, to jest taki sam

jak ten kąt, albo jeżeli pójdziesz do tyłu,

ten kąt tutaj, 109.5 stopnia, wyjaśniony przez hybrydyzację

sp3.

Same te wiązania to wiązania sigma.

Nałożenie jest wzdłuż osi łączącej wodór.