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Hibridación de orbitales atómicos: concepto y tipos principales.

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Modelo de átomo de carbono

Los electrones de valencia del átomo de carbono se encuentran en un orbital 2s y dos orbitales 2p. Orbitales 2p están en ángulo de 90 ° entre sí, y 2s-orbital tiene simetría esférica. Por lo tanto, la disposición de los orbitales atómicos de carbono en el espacio no explica la aparición de los compuestos en enlace orgánico ángulos de 109,5 °, 120 ° y 180 °.

Para resolver esta contradicción, hemos introducido el concepto hibridación de orbitales atómicos. Para entender la naturaleza de las tres opciones para la ubicación de la representación necesaria átomo de carbono en los tres tipos de hibridación.

La aparición del concepto de hibridación, estamos obligados a Linus Pauling, se ha hecho mucho para el desarrollo de la teoría del enlace químico.

concepto de hibridación explica cómo modifica sus orbitales de átomos de carbono en la formación de compuestos. A continuación consideraremos este proceso de transformación de orbitales en etapas. Debe tenerse en cuenta que el desmembramiento del proceso de hibridación en la etapa o etapas no es, de hecho, nada más que un dispositivo mental que permite una presentación más lógica y accesible del concepto. Sin embargo, la conclusión de la orientación espacial de los enlaces del átomo de carbono, a la que, finalmente, están totalmente corresponde a la situación real.

La configuración electrónica del átomo de carbono en el suelo y el estado excitado.

La figura de la izquierda muestra la configuración electrónica del átomo de carbono. Estamos interesados ​​sólo en el destino de los electrones de valencia. Como resultado del primer paso, que se llama entusiasmo o promocion, uno de los dos electrones 2s se mueve al orbital 2p libre. En la segunda etapa, se lleva a cabo el proceso de hibridación en sí mismo, que puede ser imaginado de manera arbitraria como una mezcla de uno y tres orbitales p y la formación de cuatro orbitales idénticos nuevos, cada uno de los cuales conserva las propiedades del orbital s en un cuarto y las propiedades de tres cuartos orbitales p. Estos nuevos orbitales se llaman sp3híbrido. Aquí superíndice 3 no es el número de electrones ocupan orbitales, y el número de orbitales p participan en la hibridación. Los orbitales híbridos se dirigen a los vértices del tetraedro, en el centro del cual hay un átomo de carbono. Cada orbital híbrido sp 3 contiene un electrón. Estos electrones y participa en el tercer paso en la formación de enlaces con cuatro átomos de hidrógeno para formar un enlace ángulos de 109,5 °.

sp3 - hibridación. Molécula de metano.

La formación de moléculas planas con ángulos de valencia de 120 ° se muestra en la figura a continuación. Aquí, como en el caso de la hibridación sp 3, el primer paso es la excitación. En la segunda una etapa y dos 2p 2S- involucrado en la hibridación - orbitales para formar tres sp 2 híbrido orbitales ubicados en un plano en un ángulo de 120 ° entre sí.

La formación de orbitales híbridos tres sp2

A p-p orbitales permanecen sin hibridar y es perpendicular al plano de sp 2 orbitales -Hybrid. Entonces (tercer paso) los dos sp 2 orbitales -Hybrid dos átomos de carbono están electrones combinan para formar un enlace covalente. un enlace Tal formado como resultado de la superposición de dos orbitales atómicos a lo largo de la línea que conecta el núcleo de un átomo se llama σ-bond.

La formación de sigma - y enlaces pi en la molécula de etileno

La cuarta etapa es la formación de un segundo enlace entre dos átomos de carbono. La conexión se forma como resultado de la superposición de los bordes de los orbitales 2p no hibridados uno frente al otro y se llama enlace π. El nuevo orbital molecular se emplea una combinación de dos áreas π-comunicación de electrones - por encima y por debajo de un σ-bond. Ambos enlaces (σ y π) juntos forman doble enlace entre los átomos de carbono. Finalmente, el último, quinto paso - la formación de enlaces entre los átomos de carbono y de hidrógeno a través de los cuatro electrones restantes sp -Hybrid 2 orbitales.

Doble enlace en molécula de etileno

En tercer lugar, este último tipo de hibridación se muestra en el ejemplo de la molécula más simple que tiene un enlace triple, - moléculas de acetileno. El primer paso es la excitación del átomo, igual que antes. El segundo paso es una hibridación audio 2S- y orbitales 2p para formar dos sp-híbrido orbitales, que están dispuestas en un ángulo de 180 °. Y los dos orbitales 2p necesarios para la formación de dos enlaces π permanecen sin cambios.

La formación de dos orbitales sp-híbridos

El siguiente paso - la formación de σ-enlace entre dos átomos de carbono sp-hibridado y, a continuación formar dos-bonos ¸. Un enlace σ y dos enlaces π entre dos átomos de carbono juntos forman triple enlace. Por último, la conexión formada con dos átomos de hidrógeno. molécula de acetileno tiene una estructura lineal, los cuatro átomos se encuentran en una línea.

Hemos mostrado cómo los tres principales moléculas de tipo geometría química orgánica resultan de las diferentes orbitales atómicos transformaciones de carbono.

Se pueden proponer dos métodos para determinar el tipo de hibridación de varios átomos en una molécula.

Método 1. El método más conveniente general para todas las moléculas. Sobre la base de la dependencia del ángulo de valencia de hibridación:

a) los ángulos de valencia de 109.5 °, 107 ° y 105 ° indican hibridación sp 3,

b) un ángulo de valencia de aproximadamente 120 ° -sp 2 hibridación,

c) 180 ° valencia ángulo -sp hibridación.

Método 2. Apto para la mayoría de las moléculas orgánicas. Dado que el tipo de comunicación (simple, doble, triple) asociada con la geometría del carácter se puede dar enlaces de átomos para determinar el tipo de su hibridación:

a) todos los enlaces son simples: hibridación sp 3,

b) un doble enlace - hibridación sp 2,

c) un triple enlace - hibridación sp.

La hibridación es la operación mental de transformar orbitales atómicos ordinarios (energéticamente más ventajosos) en nuevos orbitales, cuya geometría corresponde a la geometría determinada experimentalmente de las moléculas.

El concepto de enlace covalente

En aquellos casos en que el proceso de interacción entre la formación de átomos comunes a los dos pares de nubes de electrones de valencia indican un enlace covalente. Como resultado de su aparición, se forma la partícula más pequeña de una sustancia simple o compleja, una molécula.

Una de las características del enlace covalente es su directividad, una consecuencia de la forma compleja de los orbitales electrónicos p, d y f, que, sin simetría esférica, tienen una cierta orientación espacial. Otra característica importante de este tipo de unión química - saturación, debido al número limitado de exterior - valencia - nubes en el átomo. Es por eso que la existencia de una molécula, por ejemplo, H2O, tal vez como H5O no.

Historia y usos

Chemist Pauling desarrolló por primera vez en 1931 años teoría hibridación para explicar la estructura de moléculas simples, tales como metano (CH 4 ) utilizando orbitales atómicos. Pauling indica que las formas de átomos de carbono cuatro enlaces con un solo tres s- y p - bond y cuarto más débil - orbital, para que "se puede inferir" átomo de carbono que se forman tres conexión en ángulo recto (orbitales usando p) usando ev orbital en alguna dirección arbitraria. De hecho, el metano tiene cuatro enlaces de resistencia equivalente divididos de conexión de ángulo tetraédrico 109,5 °. Pauling explica esto al sugerir que en presencia de cuatro átomos de hidrógeno, los orbitales syp forman cuatro combinaciones equivalentes o híbrido orbitales, cada uno de los cuales se denota por sp 3, para indicar su composición, que se dirigen a lo largo de cuatro enlaces CH. Este concepto se ha desarrollado para tales sistemas químicos simples, pero el enfoque se aplicó más tarde más ampliamente, y en la actualidad se considera una rationalize heurístico eficaz la estructura de compuestos orgánicos. Esto proporciona una imagen orbital simple equivalente a la estructura de Lewis.

La teoría de la hibridación es una parte integral de la química orgánica, uno de los ejemplos más convincentes son las reglas de Baldwin. Mecanismo para la aplicación de reacción a veces requiere patrón clásico de la unión con dos átomos de carbono separando los dos electrones. La teoría de la hibridación explica la unión en alquenos y metano. El número n de caracteres o caracteres de caracteres, resuelto principalmente mediante la hibridación de los orbitales, puede usarse para predecir de manera confiable la propiedad de moléculas como la acidez o la basicidad.

Orbitales atómicos

El modelo orbital es una idea del comportamiento de los electrones en las moléculas. En el caso de la hibridación simple, esta aproximación se basa en orbitales atómicos similares a los obtenidos para el átomo de hidrógeno, el único átomo neutro para el que la ecuación de Schrödinger puede resolverse exactamente. En los átomos más pesados, como el carbono, el nitrógeno y el oxígeno, los orbitales atómicos utilizados son orbitales 2s y 2p, similares al estado excitado de los orbitales para el hidrógeno.

Revisión

orbitales híbridos se supone que son una mezcla de orbitales atómicos, superpuesta en diferentes proporciones. Por ejemplo, en metano, con un orbital híbrido que forma cada carbono - hidrógeno, un enlace consta de 25% de caracteres S y 75% de caracteres p y, como se describe, sp 3 (leer como SP-three ) Se hibrida. La mecánica cuántica describe la función de onda como sp 3 híbrido de la forma N (S + √ 3 pσ), donde N es una constante de normalización (aquí, 1/2) orbitales y AP pσ se dirige a lo largo del eje de la CH de forma sigma - enlace. La razón de los coeficientes (denotada por λ en su conjunto) es √ 3 en este ejemplo. Dado que la densidad electrónica asociada con el orbital es proporcional al cuadrado de la función de onda, la relación del símbolo p con la segunda naturaleza λ 2 = 3. símbolo p o peso p componente H 2 λ 2 = 3/4.

Dos vistas posibles

Las moléculas con más enlaces simples o múltiples pares pueden ser orbital, representado en términos de sigma y pi orbitales simetría o equivalente. Varios métodos de acoplamiento de valencia utilizan cualquiera de las dos representaciones que tienen funciones de onda multielectrónica total matemáticamente equivalentes y están asociadas con una transformación unitaria del conjunto de orbitales moleculares ocupados.

Para enlaces múltiples, la representación sigma-pi es predominante en comparación con la representación orbital equivalente (enlaces doblados). En contraste con esto, un número de pares individuales, la mayoría de los libros de texto utilizar la representación orbital equivalente. Sin embargo, la idea también se utiliza pi sigma, por ejemplo, por Weinhold y Landis en el contexto de la teoría de orbitales orbitales naturales lazos localizada que contiene análogos clásicos modernizados (enlace de valencia / estructura de Lewis) vinculación de los pares y pares solitarios. Para una molécula de fluoruro de hidrógeno, por ejemplo, dos pares de F - individuales sustancialmente sin hibridar p - orbitales, mientras que el otro es un sp x orbitales hydrid. Una consideración similar se aplica al agua (un par solitario de la salida está en un orbital p puro, el otro está en sp x orbital híbrido).

Tipos de hibridación

La hibridación describe los átomos de enlace desde el punto de vista de un átomo. Para carbono coordinado tetraédricamente (por ejemplo, metano CH 4 ), el carbono debe tener 4 orbitales con la simetría correcta para unirse a 4 átomos de hidrógeno.

Configuración de estado fundamental de carbono 1s 2 2s 2 2p 2 o más fácil de leer:

Con↑ ↓↑ ↓
1s2s2p2p2p

El átomo de carbono puede utilizar sus dos orbitales individualmente ocupados de tipo p para formar dos enlaces covalentes con dos átomos de hidrógeno para producir CH metileno singlete 2 El carbeno más simple. Un átomo de carbono también puede unirse a cuatro átomos de hidrógeno por excitación (o avance) de un electrón de orbitales 2s doblemente ocupados en un orbital 2p vacío, produciendo cuatro orbitales una vez ocupados.

C *↑ ↓
1s2s2p2p2p

La energía liberada por la formación de dos enlaces adicionales más que compensado la energía de excitación requerida, vigorosamente a favor de la formación de cuatro enlaces CH.

Cuánticamente mecánicamente, se obtiene la menor energía si cuatro enlaces son equivalentes, lo que requiere que se formen a partir de orbitales de carbono equivalentes. Se puede obtener un conjunto de cuatro orbitales equivalentes, que son combinaciones lineales de valencia-caparazón (los orbitales principales casi nunca participan en la formación de enlaces) s- y p son funciones de onda que son cuatro híbridos de 3 híbridos.

C *↑ ↓
1ssp 3sp 3sp 3sp 3

El CH 4 , cuatro orbitales híbridos sp 3 se superponen al hidrógeno 1s - orbitales, que reciben cuatro enlaces a (Sigma) (es decir, cuatro enlaces covalentes simples) de igual longitud y fuerza.

Otros compuestos de carbono y otras moléculas pueden explicarse de manera similar. Por ejemplo, etano (C 2 N 4 ) Es un doble enlace entre los átomos de carbono.

Por esta molécula, la sp carbono 2 hibridó porque uno π (pi) requerida para la conexión de un doble enlace entre los átomos de carbono y sólo tres enlaces sigma formados por un átomo de carbono. La hibridación de vista 2 2SE mixto orbital con sólo dos de los tres 2p disponible - orbitales

C *↑ ↓
1ssp2sp2sp 22p

la formación de un total de tres sp 2 - orbitales con una p restante orbital. El etileno (étnico) de dos átomos de carbono forma un enlace con el c solapamiento uno zrom 2 orbital de cada átomo de carbono. Bond el enlace entre los átomos de carbono perpendiculares al plano de la molécula está formado por una superposición de 2p-2p. Cada formas átomo de carbono de un enlace covalente C-H - bond con dos hidrógenos en sp 2 S-superpuestos, todos con los ángulos de valencia de 120 °. Los enlaces de hidrógeno-carbono tienen la misma fuerza y ​​longitud, de acuerdo con los datos experimentales.

La unión química en compuestos como el alquino de triple enlace se explica por la hibridación sp. En este modelo, las orbital 2s se mezcla con sólo uno de los tres p - orbitales

C *↑ ↓
1sspsp2p2p

resultando en dos orbitales sp y los dos orbitales p restantes. Unión química al acetileno (etinas) (C 2 N 2 ) Se compone de la superposición SP-sp entre los dos átomos de carbono que forman enlace cr y dos enlaces N adicionales formadas rr solapamiento. Cada también se une a carbono e hidrógeno en el a-sp s superposición a 180 ° ángulos.

Hibridación y Moléculas de Forma

La hibridación ayuda a explicar las moléculas de la forma, ya que los ángulos entre los enlaces son (aproximadamente) iguales a los ángulos entre los orbitales híbridos, como se explicó anteriormente para la geometría tetraédrica de metano. Como otro ejemplo, tres ojos 2 orbitales híbridos en un ángulo de 120 ° entre sí, por lo que esta hibridación contribuye a la geometría plana trigonal de moléculas con ángulos de valencia de 120 °. Otros ejemplos se muestran en la tabla a continuación.

clasificaciónGrupo principalTransición de metal
Hacha 2
  • Lineal (180 °)
  • hibridación sp
  • Por ejemplo, CO 2
  • Bent (90 °)
  • hibridación sd
  • Por ejemplo, IN 2 +
Hacha 3
  • Plano trigonal (120 °)
  • sp 2 hibridación
  • Por ejemplo, BCl 3
  • pirámide trigonal (90 °)
  • hibridación sd 2
  • Por ejemplo, CrO 3
Hacha 4
  • Tetraedro (109.5 °)
  • sp 3 hibridación
  • Por ejemplo, CCl 4
  • Tetrahedron (109,5 °)
  • s.o. 3 hibridación
  • Por ejemplo, TiCl 4
AX 6
  • Con 3vTrigonal prismática (63,4 °, 116,6 °)
  • sd 5 hibridación
  • Por ejemplo, W (CH 3 ) 6

Para dos híbridos equivalentes de visión x, se determina el ángulo de comunicación entre ellos, mientras que para dos equivalentes s.o. x híbridos ángulo de conexión definida entre los mismos. No hay forma con ángulos de valencia ideales que correspondan a la hibridación sd 4, así como no hay un vértice regular de 10 vértices de un poliedro. Sin embargo, las moléculas tales como Ta (CH 3 ) 5 con el tipo 4 de hibridación para tomar una forma piramidal cuadrado.θ signo es igual a agssoz ⁡ (- 1 X) < Displaystyle Theta = agssoz (- < fractura hidráulica <1><х>>)> Θ es igual a cos signo ⁡ (± 1 3 (1 - X 2)) < displaystyle theta = cos left ( h < SQRT << fracturación <1> <3 >> (1 - < Fracturando <2><х>>) >> right)>

Expansión de la capa de valencia

La hibridación a menudo se presenta para el grupo central AX. 5 y superior, así como para muchos complejos de metales de transición, utilizando el esquema de hibridación propuesto por primera vez por Pauling.

clasificaciónGrupo principal
AX 5
  • Trigonal bipiramidal (90 °, 120 °)
  • sp 3 hibridación d
  • Por ejemplo, PF 5
AX 6
  • Octogonal (90 °)
  • d 2 sp 3 hibridación
  • Por ejemplo, SF 6
AX 7
  • bipiramidal pentagonal (90 °, 72 °)
  • sp 3 hibridación d 3
  • Por ejemplo, si 7
clasificaciónTransición de metal
AX 4 (D 8)
  • El área de la parte plana (90 °)
  • 2 hibridación aglomerado
  • Por ejemplo, PtCl 4 2-
AX 6 (D 6)
  • Octogonal (90 °)
  • d 2 sp 3 hibridación
  • Por ejemplo, Mo (CO) 6
Nota: AX 5 y AX 7 tienen formas moleculares diferentes

En estas notaciones, los orbitales de los átomos principales del grupo se enumeran después de los orbitales s y p, ya que tienen el mismo número cuántico principal ( n ), mientras que los orbitales de metal de transición se indican primero, ya que los orbitales c y p tienen un n mayor. Por lo tanto, para AX 6 moléculas, la hibridación Sp 3 d 2 en el átomo S incluye orbitales 3s, 3p y 3d, mientras que d 2 sp 3 para Mo incluye orbitales 4d, 5s y 5p.

Contra-evidencia

En 1990, Magnusson publicó un trabajo original que excluía por completo el papel de la hibridación D de los orbitales en la conexión de compuestos hipervalentes de la segunda fila (período 3) de elementos, poniendo fin al tema de controversia y confusión. Parte de la confusión proviene del hecho de que la función D es importante en los conjuntos de bases utilizados para describir estos compuestos (energías irracionalmente altas y geometrías de resultados distorsionadas). Además, la contribución de la función r a la función de onda molecular es grande. Estos hechos se malinterpretaron como significando que los D-orbitales deberían estar involucrados en la comunicación.

Para los centros de metales de transición, los orbitales gy S son los principales orbitales de valencia, que solo se complementan débilmente con los orbitales p. La cuestión de si el p-orbital está realmente involucrado en la formación de la comunicación no se ha resuelto finalmente, pero todos los estudios muestran que desempeñan un papel insignificante.

Resonancia

A la luz de la química computacional, un mejor tratamiento sería inducir el acoplamiento de resonancia sigma además de la hibridación, lo que implica que cada estructura resonante tiene su propio esquema de hibridación. Para los principales grupos de compuestos, todas las estructuras resonantes deben obedecer la regla del octeto (8 electrones). Para compuestos de metales de transición, las estructuras de resonancia que obedecen la regla del duodecteto (12 electrones) son suficientes para describir la unión, con la adición de estructuras de resonancia de dimensión.

clasificaciónGrupo principal
AX 5 Trigonal bipiramidal (90 °, 120 °)
AX 6 Octogonal (90 °)
AX 7 bipiramidal pentagonal (90 °, 72 °)
clasificaciónTransición de metal
AX 4 (D 8)Área plana (90 °)
AX 6 (D 6)Octogonal (90 °)
Nota: AX 5 y AX 7 tienen formas moleculares diferentes

Hibridación isovalente

Aunque los orbitales híbridos ideales pueden ser útiles, en realidad la mayoría de los enlaces requieren orbitales intermedios. Esto requiere que la expansión incluya pesajes flexibles de orbitales atómicos de cada tipo (S, P, D) y permita una descripción cuantitativa de la formación de enlaces cuando la geometría molecular se desvía de los ángulos de enlace ideales. El número de caracteres p no se limita a valores enteros, es decir, cómo también se describe fácilmente la hibridación sp 2.5.

La hibridación de los orbitales de enlace está determinada por la regla de Bent: "El carácter sec atómico se concentra en orbitales dirigidos al sustituto electropositivo".

Las moléculas con pares solitarios

Para las moléculas con pares separados, los orbitales de unión de los híbridos oculares isovalentes son híbridos. Por ejemplo, dos enlaces que forman orbitales híbridos de oxígeno en el agua se pueden describir como sp 4.0 para dar un ángulo interorbital de 104.5 °. Esto significa que tienen 20% de caracteres S y 80% de caracteres n no significa que el orbital híbrido se forma a partir de uno de los orbitales s y p de cuatro por oxígeno, ya que la subcapa de oxígeno 2p contiene solo tres orbitales p. Las formas de las moléculas con pares separados son:

En tales casos, hay dos formas matemáticamente equivalentes de representar pares individuales. Pueden representarse mediante orbitales de simetría sigma y pi, similares a la teoría de los orbitales moleculares, u orbitales equivalentes, similares a la teoría de VSEPR.

Moléculas hipervalentes

Para las moléculas hipervalentes de un solo par, el esquema de unión puede dividirse en componentes hipervalentes y un componente que consiste en híbridos de enlace visual isovalentes. El componente hipervalente consiste en enlaces resonantes que usan orbitales p. La siguiente tabla muestra cómo cada formulario está asociado con dos componentes y sus descripciones correspondientes.

Cantidad x de híbridos de enlace (marcados en rojo)
DosUno-
componente hypervalenteje lineal
(un orbital p)
Oscilación (90 °, 180 °,> 90 °)En forma de T (90 °, 180 °)Lineal (180 °)
Área del plano ecuatorial
(dos p - orbitales)
Área piramidal (90 °, 90 °)El área de la parte plana (90 °)
ecuador plana pentagonal
(dos p - orbitales)
Piramidal pentagonal (90 °, 72 °)Plano pentagonal (72 °)

Defectos de hibridación

La hibridación de los orbitales s y p con la formación de híbridos sp-x efectivos requiere que tengan una extensión radial comparable. Mientras que los orbitales 2p son en promedio menos del 10% más grandes que 2s, en parte debido a la ausencia de un nodo radial en los orbitales 2p, los orbitales 3p que tienen un nodo radial exceden los orbitales 3s en un 20-33%. La diferencia en el grado de los orbitales s y p aumenta más abajo en el grupo. La hibridación de átomos en enlaces químicos se puede analizar teniendo en cuenta orbitales moleculares localizados, por ejemplo, utilizando orbitales moleculares localizados naturales en un esquema de enlace orbital natural (NBO). El metano, CH 4 , la relación p / s calculada de aproximadamente 3 de acuerdo con la hibridación sp 3 "ideal", mientras que para el silano, SiH 4 , la relación P / S está más cerca de 2. Se observa una tendencia similar para otros elementos 2p. La sustitución de flúor por hidrógeno reduce aún más la relación P / S. Los elementos 2p demuestran una hibridación casi perfecta con orbitales híbridos ortogonales. Para elementos más pesados ​​de bloques p, esta suposición de ortogonalidad no puede justificarse. Estas desviaciones de la hibridación perfecta se llamaron defectos de hibridación en Kutzelnigg.

Los espectros de fotoelectrones

Un concepto erróneo con respecto a la hibridación orbital es que predice incorrectamente los espectros de muchas moléculas de fotoelectrones ultravioleta. Aunque esto es cierto, si los Koopmans teorema se utiliza para los híbridos localizadas, la mecánica cuántica requiere que (en este caso ionizado) de onda obedecer la simetría de la molécula, lo que implica una resonancia en la teoría del enlace de valencia. Por ejemplo, en metano, un estado ionizado (CH 4 +) puede construirse a partir de cuatro estructuras de resonancia. Atribuciones se expulsa un electrón a cada uno de los cuatro orbitales de los cuatro ojos. Una combinación lineal de estas cuatro estructuras, la preservación del número de estructuras, conduce a una T degenerada triple. 2 estado y A 1 Estado. La diferencia de energía entre cada estado ionizado y el estado será la energía de ionización, que da dos valores de acuerdo con el experimento.

MOs localizados versus PF canónico

Los orbitales de unión formados a partir de orbitales atómicos híbridos pueden considerarse orbitales moleculares localizados, que pueden formarse a partir de orbitales deslocalizados de la teoría de los orbitales moleculares utilizando la transformación matemática apropiada. Para las moléculas en el estado fundamental, esta transformación de los orbitales deja la función general de onda de múltiples electrones sin cambios. Descripciones de estado de orbitales híbridos equivalentemente a una descripción orbital deslocalizada para el estado fundamental de la energía total y la densidad de electrones, así como la geometría molecular, que corresponde al valor mínimo de la energía total. En comparación con los orbitales deslocalizados de la teoría de los orbitales moleculares, los orbitales atómicos híbridos tienen la ventaja adicional de mostrar la relación entre las propiedades de enlace y los sustituyentes de electronegatividad en un método simple de acuerdo con la regla de Bent.

La idea general de la hibridación

Sin embargo, no solo la biología incluye este concepto. Y que la introducción con un ejemplo de híbridos como individuos de pleno derecho de una especie biológica incomprensible se considere en la introducción. Además, este concepto puede usarse en otras ciencias. Y el significado de este término será ligeramente diferente. Pero todavía hay algo en común. Esta es la palabra "unión", que combina todos los significados posibles de un término dado.

¿Dónde existe este concepto?

El término "hibridación" se usa en varias ciencias. Y dado que la mayoría de las disciplinas existentes se cruzan, podemos hablar con seguridad sobre el uso de cada significado del término en cualquier ciencia, de una forma u otra relacionada con las ramas de investigación natural. Además, este término se usa más activamente en:

  1. Biología. De ahí el concepto de un híbrido. Aunque, como siempre, hubo cierta distorsión de los hechos al pasar de la ciencia a la vida cotidiana. Entendemos bajo un híbrido individual, lo que resulta en el proceso de cruzar otras dos especies. Aunque este no es siempre el caso.
  2. Química. Este concepto significa mezclar múltiples orbitales - rutas originales del movimiento de los electrones.
  3. Bioquímica. Aquí, el concepto clave es la hibridación de ADN.

Como puede ver, el tercer punto está en la unión de las dos ciencias. Y esta es una práctica absolutamente normal. El mismo término puede formar en la unión de dos ciencias un significado completamente diferente. Vamos a echar un vistazo más de cerca el concepto de hibridación en estas ciencias.

¿Qué es un híbrido?

Un híbrido es una criatura que ha resultado en el proceso de hibridación. Este concepto se refiere a la biología. Los híbridos se pueden obtener al azar o a propósito. En el primer caso, puede producir animales creados en el proceso de apareamiento de criaturas de dos especies.

Por ejemplo, hablan sobre la apariencia de gatos y perros con niños que no son uno de ellos. A veces, los híbridos se crean a propósito. Por ejemplo, cuando una cereza está unida a un albaricoque, estamos lidiando con una hibridación especial.

Hibridación en biología

La biología es una ciencia interesante. Y el concepto de hibridación en él no es menos emocionante. Esto significa que la asociación del material genético de las diferentes células este término en uno. Pueden ser ambos representantes de una especie o varias. En consecuencia, existe una división en tales variedades de hibridación.

  • Hibridación intraespecífica. Esto es cuando dos individuos de la misma especie crean un descendiente. Un ejemplo de hibridación intraespecífica es el humano. Resultó en el proceso de fusión de células sexuales de representantes de una especie biológica.
  • Hibridación interespecífica. Esto es cuando son similares, pero pertenecen a diferentes especies, los animales se cruzan. Por ejemplo, un híbrido de caballo y cebra.
  • hibridación Distante. Esto es cuando los representantes de al menos una especie se cruzan, pero al mismo tiempo no están unidos por lazos familiares.

Cada una de estas variedades ayuda no solo a la evolución. Los científicos también están tratando activamente de cruzar diferentes tipos de seres vivos. Que hace mejor con las plantas. Hay varias razones para esto:

  • Diferente número de cromosomas. Cada especie tiene no solo un número específico de cromosomas, sino también su conjunto. Todo esto interfiere con la reproducción de la descendencia.
  • Solo las plantas híbridas pueden reproducirse. Y ese no es siempre el caso.
  • Solo las plantas pueden ser poliploides. Que se reproducen las plantas, se ha convertido en poliploides. En el caso de los animales, esta es una muerte segura.
  • Posibilidad de hibridación vegetativa. Esta es una forma muy simple y conveniente de crear híbridos de varias plantas.

Discurre que se cruzan dos plantas es mucho más fácil y más eficiente. En el caso de los animales, quizás en el futuro sea posible lograr la posibilidad de reproducción. Pero por el momento, se considera oficial en biología que los híbridos animales pierden su capacidad de reproducción, ya que estos individuos son genéticamente inestables. Por lo tanto, no se sabe a qué puede conducir su reproducción.

Tipos de hibridación en biología

La biología es una ciencia bastante amplia en su especialización. Hay dos tipos de hibridación que proporciona:

  1. Genética. Esto es cuando una de las dos células forma una con un conjunto único de cromosomas.
  2. Bioquímica. Un ejemplo de esta especie es la hibridación de ADN. Esto es cuando los ácidos nucleicos complementarios se combinan en un ADN.

Se puede dividir en más variedades. Pero hicimos esto en la subsección anterior. Entonces, la hibridación distante e intraespecífica son las partes constituyentes del primer tipo. Y allí la clasificación se amplía aún más.

El concepto de hibridación vegetativa.

La hibridación vegetativa es un concepto en biología que significa un tipo de cruce de dos plantas en el que parte de una especie sobrevive en la otra. Es decir, la hibridación ocurre debido a la combinación de dos partes diferentes del cuerpo. Sí, esto se puede describir como una planta. Después de todo, también tiene sus propios órganos, combinados en un sistema completo. Por lo tanto, si llamas a una planta organismo, no hay nada vergonzoso en esto.

La hibridación vegetativa tiene varias ventajas. Esto es:

Estas ventajas hacen que este tipo de cruce es muy popular entre los jardineros. También existe la hibridación somática. Esto es cuando no se cruzan las células germinales, sino somáticas, o más bien, sus protoplastos. Este método de cruce se realiza cuando es imposible crear un híbrido por una ruta sexual estándar entre varias plantas.

La hibridación en química

Pero ahora nos alejaremos un poco de la biología y hablaremos de otra ciencia. En química, hay un concepto que se llama "hibridación de orbitales atómicos". Este es un término muy complejo, pero si entiendes un poco de química, entonces no hay nada complicado. Primero debes explicar qué es el orbital.

Este es un tipo de camino a lo largo del cual se mueve un electrón. Nos enseñaron esto en la escuela. Y si sucede que los orbitales de diferentes tipos se mezclan, se obtiene un híbrido. Hay tres tipos de fenómenos llamados "hibridación". Estas son las variedades:

  • hibridación sp - uno sy el otro p orbital,
  • sp 2 hibridación - uno s y dos orbitales p
  • hibridación sp3 - uno s y tres orbitales p están conectados.

Este tema es bastante difícil de estudiar, y debe considerarse inextricablemente del resto de la teoría. Además, el concepto de hibridación de los orbitales se relaciona más con el final de este tema y no con el principio. Después de todo, debe estudiar el concepto mismo de los orbitales, cuáles son, etc.

Conclusiones

Entonces, descubrimos los significados del concepto de "hibridación". Resulta ser bastante interesante. Para muchos, fue el descubrimiento de que en la química también tiene este concepto. Pero si que estas personas no sabían, entonces ¿qué podían aprender? Y así, no hay desarrollo. Es importante no dejar de entrenar erudición, ya que esto ciertamente lo caracterizará en el lado bueno.

Tipos de enlace covalente

Educación compartido de electrones pares pueden ocurrir de varias maneras. La naturaleza de la superposición de nubes y la simetría espacial de la nube resultante desempeñan un papel importante en el mecanismo de formación de enlaces covalentes. De acuerdo con este criterio L.Pauling propuso distinguir los siguientes tipos:

  • Sigma enlace (σ) tiene el mayor grado de solapamiento en pasa por el eje de los núcleos atómicos. Habrá una densidad máxima de nubes.
  • Pi-bono (π) formado por la superposición lateral, la nube de electrones y por lo tanto tiene la mayor densidad se une a los núcleos.

Estas características espaciales son la medida muy importante, ya que se correlacionan con los parámetros de energía de un enlace covalente.

Características poliatómicos

Pauling introdujo el concepto de hibridación de los orbitales atómicos para explicar una de las características de los enlaces covalentes en las moléculas poliatómicas. Se sabe que los enlaces formados por el átomo central en tales moléculas, son idénticas a las características espaciales y de la energía. Esto se produce independientemente de que los orbitales (s, p o d) participar en la creación de un par de electrones común.

Es muy conveniente y un buen ejemplo para ilustrar este fenómeno es el átomo de carbono. Cuando un enlace que une el átomo en el estado excitado tiene cuatro orbitales de valencia: 2s, 2px, 2py y 2pz. Los tres últimos son diferentes de los 2s energía orbital y forma. Sin embargo, en la molécula, tales como metano CH4 todos los cuatro enlaces son perfectamente equivalentes y valencia ángulos 109,5 ° (mientras que los orbitales p están dispuestos en ángulos de 90 °). Los otros compuestos de carbono se encuentran ángulos de enlace de 120 ° y 180 °, en moléculas que contienen nitrógeno (amoníaco NH3) Y oxígeno (agua H2O), estos ángulos son 107,5 ° y 104,5 °. La ocurrencia de ángulos de enlace similares también se requiere explicación.

La esencia del fenómeno

La idea de la hibridación es formar orbitales promediados superponiendo diferentes tipos de nubes de electrones con valores de energía cercanos: s, p, a veces d. Número de resultado - híbrido - orbitales corresponde al número de nubes superpuestas. Dado que el orbital es una función de onda que determina la probabilidad de que un electrón esté en un punto particular de un átomo, un orbital híbrido es una superposición de funciones de onda que se produce como resultado de transiciones electrónicas cuando un átomo está excitado. Da lugar a funciones de onda equivalentes, que sólo difieren en la orientación.

Hybrid energía equivalente orbital y tiene la misma forma que un volumen ocho, que tiene una relativamente fuerte núcleo asimetría. Se gasta menos energía en la hibridación que la que se libera cuando se forma un enlace covalente fuerte con orbitales híbridos; por lo tanto, tal proceso es energéticamente favorable, es decir, lo más probable.

Los principales tipos de hibridación de orbitales y la geometría de las moléculas

Diferentes formas de realización de la superposición (mezcla) de las nubes de electrones exteriores en el átomo. Los más comunes son los siguientes tipos de orbitales de superposición:

  • SP 3 hibridación. Esta forma de realización se realiza cuando se aplica una tres S- y orbitales p. Su resultado son cuatro orbitales híbridos cuyos ejes están dirigidos para cualquier par en ángulos de 109.5 °, que corresponde a la repulsión mutua mínima de electrones. Al unirse a estos orbitales sigma-enlaces con otros átomos, forma una molécula tetraédrica de configuración, tal como metano, etano, C2H6 (Combinación de dos tetraedros), amoníaco, agua. Solo hay uno en la molécula de amoníaco, y dos de los vértices del tetraedro en la molécula de agua están ocupados por pares de electrones solitarios, lo que conduce a una disminución en el ángulo de valencia.
  • Sp 2 hibridación se produce en una combinación de dos S- y orbitales p. En este caso, un triple orbitales híbridos situados en ángulos de 120 ° en un plano. Tal forma triangular son, por ejemplo tricloruro de boro Bcl molécula3Esa solicitud hallazgos en diversas tecnologías. Otro ejemplo, una molécula de etileno, se forma debido a un enlace π adicional entre los átomos de carbono, en el que los orbitales p no son híbridos y están orientados perpendicularmente al plano formado por dos triángulos.
  • Sp-hibridación se produce cuando una mezcla s- y un P-orbital. Dos nube híbrida dispuesta en un ángulo de 180 °, y la molécula tiene una configuración lineal. Los ejemplos incluyen moléculas de berilio cloruro BeCl2 o acetileno C2H2 (Los dos últimos no híbrido orbital de la p-forma de carbono adicional π-bond).

Hay variantes más complejas de la hibridación de orbitales atómicos: sp 3 d, sp 3 d 2 y otros.

El papel de los patrones de hibridación

Pauling concepto da una buena descripción cualitativa de la estructura de las moléculas. Es conveniente e intuitivo; explica con éxito algunas características de los compuestos covalentes, como el valor de los ángulos de valencia o la alineación de la longitud de un enlace químico. Sin embargo, el lado cuantitativo del modelo no puede considerarse satisfactorio, ya que no permite hacer muchas predicciones importantes con respecto a los efectos físicos asociados con las características estructurales de las moléculas, por ejemplo, los espectros de fotoelectrones moleculares. El autor del concepto de hibridación a principios de 1950 tomó nota de sus deficiencias.

Sin embargo, en la formación de ideas modernas sobre la estructura de la materia, el modelo de hibridación de los orbitales atómicos desempeñó un papel importante. Sobre la base de su concepto más adecuado desarrollado, por ejemplo, trepev. Por lo tanto, por supuesto, el modelo de hibridación fue una etapa importante en el desarrollo de la química teórica, y al describir algunos aspectos de la estructura electrónica de las moléculas, es bastante aplicable en la actualidad.

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