Hybrydyzacja to koncepcja opracowana przez człowieka, aby ułatwić wyjaśnienie obserwacji chemicznych. Nie jest to odpowiednik 1: 1 czegokolwiek, co widać w cząsteczkach, ale raczej sposób racjonalizacji tego, co się zobaczyło - takiego, który jest matematycznie tak samo poprawna, jak orbitale molekularne (które obejmują całą cząsteczkę).

Istnieją dwa zasadniczo różne podejścia do opisu „wiązań”. Pierwszym z nich jest orbital molekularny. Uwzględnia on elektrony, które mogą swobodnie poruszać się wokół całej cząsteczki w tak zwanej przestrzeni energii potencjalnej: energia potencjalna pochodzi z (ujemnie naładowanego) elektronu znajdującego się blisko do (serii dodatnio naładowanych) jąder, które się przyciągają. Jak być może pamiętasz ze swoich pierwszych zajęć z chemii, masa nawet protonu jest 2000 dolarów razy większa od masy elektronu, więc jądro węgla jest około 24000 dolarów razy cięższe od elektronu. Według Newtona jądra mają dużo większą bezwładność niż elektrony, więc rozsądnie jest założyć, że niezależnie od tego, które ustalone pozycje zajmą jądra, wszystkie elektrony mogą przyjąć korzystne wzorce ruchu.

Mechanika kwantowa i dalej chemia kwantowa dostarczają nam metod obliczania, jakie wzorce ruchu te elektrony mogą przyjąć - chociaż technicznie rzecz biorąc równanie nie jest rozwiązalne, ponieważ musi również zawierać interakcje elektron-elektron, istnieją dobre przybliżenia. Funkcje falowe , które można wyprowadzić ze wszystkich tych informacji, odpowiadają orbitalom molekularnym , które mogłeś wcześniej widzieć: są one zgodne z symetrią cząsteczki (zawsze pasują do jednej nieredukowalnej reprezentacji punkt symetrii cząsteczki), ale rozciągają się na całą cząsteczkę (nawet orbitale reprezentujące elektrony jądra atomowego można uznać za nieco zdelokalizowane).

Korzystając z kwantowej metody obliczeń (operatorów), otrzymujesz energię dla każdego orbitalu molekularnego. W ten sposób uporządkowałeś swoje orbitale molekularne według energii (w przybliżeniu równej liczbie płaszczyzn węzłowych) - daje to HOMO i LUMO, o których być może słyszałeś wcześniej.

Aby zredukować to z powrotem do „wiązań”, trzeba używać matematycznych sztuczek. Mówiąc prościej: wszystkie funkcje falowe można traktować jako wektory, a wektory można łączyć liniowo w celu uzyskania innych wektorów - co oznacza, że ​​bierzemy 0,5 $ razy orbital $ \ Psi_1 $, 0,01 $ razy orbital $ \ Psi_2 $ i tak dalej dla każdego orbitalu molekularnego , dodaj je, podziel przez współczynnik normalizacji, a otrzymamy nowy orbital, który ma inny kształt (i nową energię). Jeśli zrobimy to w rozsądny sposób, możemy zredukować orbitale molekularne do tych, które „rozpościerają się” tylko przez jedno wiązanie - ponieważ wyeliminowaliśmy wszystkie wkłady funkcjonalne fal z innych części cząsteczki. Odpowiadałoby to typowym orbitalom wiążącym, niewiążącym i antywiążącym typu $ \ sigma $ i $ \ pi $.

Druga metoda to podejście hybrydyzacyjne. Tym razem przyjmujesz ogólny kształt cząsteczki i rozważasz każdy atom oddzielnie. Dla każdego atomu można założyć hybrydyzację na podstawie jego geometrii: jeśli wokół niego są trzy inne atomy w kształcie trójkąta, wszystkie dzielące tę samą płaszczyznę z atomem, o którym mowa, możemy założyć, że jest on zhybrydyzowany sp². >

Kiedy już to zrobimy, musimy przyjrzeć się sąsiednim atomom, aby ponownie utworzyć „wiązania”. Zwykle będą dwa orbitale hybrydowe „skierowane” na siebie, gotowe do utworzenia wiązania. Korzystając z tej samej techniki, którą musimy tworzyć orbitale hybrydowe, możemy mieszać te dwa orbitale hybrydowe, aby utworzyć inny orbitale. Ten orbital nie jest uważany za nowego typu sp-hybrid, ale raczej otrzymuje nazwę nowego typu: może to być $ \ sigma $, $ \ pi $ lub $ \ delta $ (aby wymienić najpopularniejsze). Te greckie litery bardzo przypominają s, p i d, a omawiane orbitale wiązania mają wspólną cechę symetrii z odpowiadającymi im orbitaliami atomowymi: orbitale $ \ sigma $ można swobodnie obracać wokół osi wiązania, orbitale $ \ pi $ mają jedną i $ \ delta $ orbitale dwie płaszczyzny węzłowe wzdłuż osi wiązania (oś wiązania jest całkowicie częścią płaszczyzny węzłowej).

Jeśli zrobiliśmy to poprawnie, dojdziemy do orbitali o podobnym kształcie i energii jak w przypadku powyższej metody, tylko my jesteśmy dużo, dużo szybsi , dlatego ta metoda jest często nauczana w szkołach.

Na pytanie w jaki sposób obligacje $ \ ce {CC} $ (i $ \ ce {CH} $) różnią się między sobą $ \ ce {C2H4} $ i $ \ ce {C2H2} $ :
Właśnie zobaczyłeś jak zdecydowaliśmy, jakie orbitale chcemy połączyć, aby utworzyć wiązanie. W $ \ ce {C2H4} $ łączymy orbital sp² węgla z s-orbitalem wodoru, aby stworzyć wiązanie $ \ sigma $. Dla uproszczenia możemy oznaczyć to wiązanie $ \ sigma _ {\ ce {sp ^ 2-s}} $. Podobnie dla $ \ ce {C2H2} $, tyle że ten musi być oznaczony jako $ \ sigma _ {\ ce {sp-s}} $. Widzisz, że stworzyłeś wiązania z różnymi orbitaliami hybrydowymi i dlatego wiązania te będą miały różne „kształty” i energie. To właśnie oznacza

$ \ ce {C # C} $ wiązanie etyny ($ \ ce {HCCH} $) ma wyższy znak s (50 $ \, \% $) niż $ \ ce {C = C} $ wiązanie etylenu ($ \ ce {H2CCH2 } $) ($ 33 ​​\, \% $)

Technicznie jest to skrót od:

Hybrydowe orbitale atomowe węgla etynu mają większy znak s (50 $ \, \% $) niż orbitale etenu (33 $ \, \% $), więc $ \ sigma _ {\ ce {CH}} Obligacje $ w pewnym sensie zachowają tę własność.

Krótko mówiąc: nie, nie możemy powiedzieć, że obligacja $ \ sigma $ ma charakter sp² lub sp³; możemy (i powinniśmy) tylko powiedzieć, że orbital atomowy jednej strony tego wiązania ma ten znak.

I: Błędem jest zakładać, że $ \ ce {sp ^ 2 + s} = \ ce { 2 sp} $, ponieważ byłby to niedawny orbital p od węgla do wodoru.