Lai carbon: những gì nó bao gồm, các loại và đặc điểm của chúng
Sự lai hóa carbon bao gồm sự kết hợp của hai quỹ đạo nguyên tử tinh khiết để tạo thành quỹ đạo phân tử "lai" mới với những đặc điểm riêng. Khái niệm quỹ đạo nguyên tử đưa ra lời giải thích tốt hơn khái niệm quỹ đạo trước đó, để thiết lập một xấp xỉ về nơi có xác suất tìm thấy electron bên trong nguyên tử cao hơn.
Nói cách khác, quỹ đạo nguyên tử là đại diện của cơ học lượng tử để đưa ra ý tưởng về vị trí của một electron hoặc cặp electron trong một khu vực nhất định trong nguyên tử, trong đó mỗi quỹ đạo được xác định theo các giá trị của các số của nó lượng tử
Các số lượng tử mô tả trạng thái của một hệ (giống như của electron bên trong nguyên tử) tại một thời điểm nhất định, bằng năng lượng thuộc về electron (n), động lượng góc mà nó mô tả trong chuyển động của nó (l), mô men từ liên quan (m) và spin của electron trong khi di chuyển bên trong (các) nguyên tử.
Các tham số này là duy nhất cho mỗi electron trong quỹ đạo, do đó, hai electron không thể có cùng giá trị chính xác của bốn số lượng tử và mỗi quỹ đạo có thể bị chiếm giữ bởi hai electron nhiều nhất.
Sự lai hóa của carbon là gì?
Để mô tả sự lai hóa của carbon, phải xem xét rằng các đặc điểm của từng quỹ đạo (hình dạng, năng lượng, kích thước, v.v.) phụ thuộc vào cấu hình điện tử của mỗi nguyên tử.
Đó là, đặc điểm của mỗi quỹ đạo phụ thuộc vào sự sắp xếp của các electron trong mỗi "lớp" hoặc cấp độ: từ lớp gần nhất đến lõi ngoài cùng, còn được gọi là vỏ hóa trị.
Các electron ở cấp độ ngoài cùng là những cái duy nhất có sẵn để tạo thành liên kết. Do đó, khi một liên kết hóa học được hình thành giữa hai nguyên tử, sự chồng chéo hoặc chồng chéo của hai quỹ đạo (một trong mỗi nguyên tử) được tạo ra và điều này liên quan chặt chẽ đến hình học của các phân tử.
Như đã nêu ở trên, mỗi quỹ đạo có thể được lấp đầy tối đa hai electron nhưng phải tuân theo Nguyên tắc Aufbau, theo đó các quỹ đạo được lấp đầy theo mức năng lượng của chúng (từ thấp nhất đến cao nhất), như hiển thị dưới đây:
Theo cách này, đầu tiên các cấp 1 được lấp đầy, sau đó là 2 giây, tiếp theo là 2 p và cứ thế, tùy thuộc vào số lượng nguyên tử hoặc ion có bao nhiêu electron.
Do đó, lai hóa là một hiện tượng tương ứng với các phân tử, vì mỗi nguyên tử chỉ có thể cung cấp các quỹ đạo nguyên tử thuần túy ( s, p, d, f ) và, do sự kết hợp của hai hoặc nhiều quỹ đạo nguyên tử, cùng một lượng quỹ đạo lai cho phép liên kết giữa các yếu tố.
Các loại chính
Các quỹ đạo nguyên tử có hình dạng và định hướng không gian khác nhau, tăng độ phức tạp, như hình dưới đây:
Người ta quan sát rằng chỉ có một loại quỹ đạo (hình cầu), ba loại p orbital (hình thùy, trong đó mỗi thùy được định hướng trên một trục không gian), năm loại d quỹ đạo và bảy loại f quỹ đạo, trong đó mỗi loại Quỹ đạo có năng lượng chính xác giống như lớp của nó.
Nguyên tử carbon ở trạng thái cơ bản có sáu electron, có cấu hình là 1 s 22 s 22 p 2. Nghĩa là, chúng nên chiếm cấp 1 s (hai electron), 2 s (hai electron) và một phần 2p (electron). hai electron còn lại) theo Nguyên lý Aufbau.
Điều này có nghĩa là nguyên tử carbon chỉ có hai electron chưa ghép cặp trong quỹ đạo 2 p, nhưng theo cách này, không thể giải thích sự hình thành hoặc hình học của phân tử metan (CH 4 ) hoặc các loại phức tạp khác.
Vì vậy, để hình thành các liên kết này, bạn cần lai giữa các quỹ đạo s và p (trong trường hợp là carbon), để tạo ra các quỹ đạo lai mới giải thích ngay cả liên kết đôi và ba, trong đó các electron có cấu hình ổn định nhất để hình thành các phân tử.
Lai hóa sp3
Phép lai sp3 bao gồm sự hình thành bốn quỹ đạo "lai" từ các quỹ đạo thuần 2s, 2p x, 2p và 2p z .
Do đó, chúng ta có sự sắp xếp lại các electron ở cấp độ 2, trong đó có bốn electron có sẵn để hình thành bốn liên kết và chúng được đặt song song để có ít năng lượng hơn (độ ổn định cao hơn).
Một ví dụ là phân tử ethylene (C 2 H 4 ), có liên kết tạo thành các góc 120 ° giữa các nguyên tử và cung cấp một hình học lượng giác phẳng.
Trong trường hợp này, các liên kết CH và CC đơn giản được tạo ra (do quỹ đạo sp 2) và liên kết CC kép (do quỹ đạo p ), để tạo thành phân tử ổn định nhất.
Lai hóa sp2
Thông qua quá trình lai hóa sp2, ba quỹ đạo "lai" được tạo ra từ quỹ đạo 2s thuần túy và ba quỹ đạo 2p thuần túy. Ngoài ra, một quỹ đạo p tinh khiết thu được tham gia vào sự hình thành liên kết đôi (gọi là pi: "π").
Một ví dụ là phân tử ethylene (C 2 H 4 ), có liên kết tạo thành các góc 120 ° giữa các nguyên tử và cung cấp một hình học lượng giác phẳng. Trong trường hợp này, các liên kết CH và CC đơn giản được tạo ra (do quỹ đạo sp2) và liên kết CC kép (do quỹ đạo p), để tạo thành phân tử ổn định nhất.
Bằng cách lai sp, hai quỹ đạo "lai" được thiết lập từ quỹ đạo 2s thuần túy và ba quỹ đạo 2p thuần túy. Theo cách này, hai quỹ đạo p tinh khiết được hình thành tham gia vào sự hình thành liên kết ba.
Đối với kiểu lai hóa này, phân tử acetylene (C 2 H 2 ) được trình bày như một ví dụ, có liên kết tạo thành các góc 180 ° giữa các nguyên tử và cung cấp một hình dạng tuyến tính.
Đối với cấu trúc này, có các liên kết CH và CC đơn giản (do các quỹ đạo sp) và liên kết ba CC (nghĩa là hai liên kết pi do các quỹ đạo p), để có được cấu hình với lực đẩy điện tử ít nhất.
