O wiele łatwiej jest to wyjaśnić na prostszym przykładzie - cząsteczka $ \ ce {O3} $. Ma strukturę hybrydy rezonansowej $ \ ce {O = O + -O -} $ i jej zwierciadło. Oczywiście centralny atom ma stan hybrydyzacji $ sp ^ 2 $. Jedno wiązanie jest normalnym wiązaniem kowalencyjnym, a drugie jest celownikiem: para elektronów jest przekazywana na wolną orbitę atomu $ \ ce {O} $ ze wszystkimi sparowanymi elektronami. w cząsteczce $ \ ce {H2SO4} $ do wiązań są po prostu kowalencyjne ($ \ ce {S-OH} $ jedynki), a dwie są celownikami ($ \ ce {S-O} $ jedynki). Powszechna koncepcja niesparowania elektronów z moją wiedzą została udowodniona przez obliczenia chemii kwantowej i eksperymenty spektralne dla hiperwalentnych związków $ \ ce {P} $ i $ \ ce {S} $.

Trochę bardziej interesujące Przykładem jest cząsteczka $ \ ce {XeF2} $, w której powstają trzyatomowe wiązanie czteroelektronowe $ \ ce {F-Xe-F} $, które można traktować jako hybrydę rozumową struktury $ \ ce {F-Xe + \ F -} $ i jego lustro $ \ ce {F- \ Xe + -F} $

Oczywiście ten schemat jest nadal daleki od doskonałości, ponieważ rzeczywistość jest znacznie bardziej skomplikowana, ale jeśli tego nie zrobisz chcesz wziąć udział w kursie chemii kwantowej, to powinno wystarczyć. Jednak zalecam wyszukanie „modelu MO LCAO”: jest to dość proste i bardzo przydatne. Jest również często używany w zaawansowanych książkach i artykułach z chemii.

Wyjaśnienie Permeakry jest trafne, ale tak naprawdę nie zrozumiałem dobrze wyniku, dopóki nie odwiedziłem strony Wikipedii na temat Siarczan.

Centralny znak rozpoznawczy pytania a zamieszanie polegało na tym, dlaczego konfiguracja dziesięciu elektronów miałaby przyjąć konfigurację sp3 bardziej odzwierciedlającą oktet. Było to źródłem nieporozumień, które sięgają wstecz do Gilberta Lewisa, który pierwotnie zaproponował poniższe dopasowanie struktury hybrydyzacji sp3 (model 2): ​​

Linus Pauling wkracza do zaproponować, że dwa z orbitali d odgrywają rolę, sugerując, że powinna nastąpić hybrydyzacja sp3d2. Pojawia się zatem kwestia roli wiązań Pi i ich dopasowania do struktury przy założeniu, że zajęte orbitale p zachodzą na puste orbitale d.

Ostatecznie z obliczeń wynika, że ​​siarka jest rzeczywiście naładowana i występuje bardzo mało znaku pi. Jak podsumowano w Jak istotne są wiązania podwójne S = O i P = O dla opisu cząsteczek kwasu, odpowiednio, H2SO3, H2SO4 i H3PO4?, model 1 z wiązaniami S = O to kompletna bzdura, nawet chociaż w ten sposób uczymy chemii w liceum i na studiach.

Wydaje mi się, że alternatywnym sposobem zadania tego pytania jest to, czym jest hybrydyzacja H2SO4?

Lepszym sposobem zadawania tego pytania może być: „Jaka jest hybrydyzacja atom siarki w siarczanie wodoru? ”

Atom siarki ma wiązanie z czterema innymi atomami w tej cząsteczce. Ponieważ zgodnie z teorią odpychania par elektronów powłoki walencyjnej (VSEPR) elektrony starają się trzymać jak najdalej od siebie, pozostałe atomy rozdzielą się tak daleko, jak to możliwe, co spowoduje powstanie wiązań oddalonych od siebie o 109,5 stopnia. Gdyby był to kwadratowy układ planarny, wiązania byłyby oddalone od siebie tylko o 90 stopni, co nie jest tak zadowalające, jak zapewniałby układ czworościenny.

Według mojej książki, jeśli liczba efektywnych par wynosi 4, układ jest tetraedryczny, a zatem wymagana hybrydyzacja wynosi $ sp ^ 3 $

Źródło: Zumdahl, Zumdahl, Chemistry: An Atoms First Approach

ISBN-13: 978-0840065322

To z pewnością odpowiada na pytanie, ale dlaczego?

Ma to związek z orbitalami molekularnymi i tym, jak trzymają one tylko określoną liczbę elektronów, a one wolą rozkładać się równomiernie, ponieważ w świecie kwantowym elektrony preferują najniższy możliwy stan energii. Po zajęciu wiązania sigma, które jest pierwszym orbitalem określanym jako orbital s, elektrony w końcu zajmują orbitale p, a kiedy elektrony są dzielone przez te orbitale, nazywane są wiązaniami pi, w rzeczywistości tworzą zupełnie nowy orbital, orbital molekularny, który umożliwia współdzielenie elektronów między dwoma atomami. Odsyłam Cię do tej witryny internetowej, aby pomóc wizualnie pokazać, co się dzieje.

Ostatecznie nie ma sposobu, aby przewidzieć strukturę danej cząsteczki. Tak, z doświadczeniem można w wielu przypadkach poprawnie odgadnąć, ale nie we wszystkich.

Wszystko to polega na najpierw znalezieniu struktury, a następnie po drugie opracuj schemat wiązania, który daje taką strukturę. W zasadzie można wykonać obliczenia kwantowo-mechaniczne ab initio , ale nie jest to zbyt praktyczne w przypadku cząsteczek z dużą liczbą elektronów, takich jak $ \ ce {(NH3) 2SO4} $. Dlatego najczęściej stosuje się procedurę przybliżania.

Istnieją dwa proste przybliżenia. Jeden to orbitale molekularne, drugi to przybliżenie LCAO (liniowa kombinacja orbitali atomowych). Opisują to samo, ale używają innego języka. Wybór, którego użyć, należy do osoby, która chce odpowiedzi.

Jako przykład tego wszystkiego spróbuj przewidzieć wiązanie i strukturę $ \ ce {H3PO4} $ bez znajomości odpowiedzi.

Siarka ma cztery orbitale $ sp ^ 3 $ (cztery $ \ sigma $ -bonds) z tlenem i dwa $ \ pi $ -bonds (orbitale $ d $). W przypadku $ \ ce {SO4 ^ {2 -}} $ ion, także siarka ma również cztery orbitale $ sp ^ 3 $ i cztery $ \ pi $ -bonds z orbitali $ d $. Elektron z wodoru przemieszcza się na orbitale d siarki