Sự lai hóa cacbon liên quan đến sự kết hợp của hai obitan nguyên tử nguyên chất để tạo thành một obitan phân tử mới "lai" với các đặc điểm riêng của nó. Khái niệm quỹ đạo nguyên tử đưa ra lời giải thích tốt hơn so với khái niệm quỹ đạo trước đây, để thiết lập một giá trị gần đúng về nơi có xác suất tìm thấy điện tử trong nguyên tử lớn hơn.

Nói cách khác, một quỹ đạo nguyên tử là sự biểu diễn của cơ học lượng tử để đưa ra ý tưởng về vị trí của một điện tử hoặc một cặp điện tử trong một khu vực nhất định trong nguyên tử, trong đó mỗi quỹ đạo được xác định theo các giá trị số của nó. lượng tử.

Các số lượng tử mô tả trạng thái của một hệ (chẳng hạn như của electron bên trong nguyên tử) tại một thời điểm nhất định, thông qua năng lượng thuộc về electron (n), mômen động lượng mà nó mô tả trong chuyển động của nó (l), mômen từ liên quan (m) và spin của electron khi nó di chuyển trong (các) nguyên tử.

Các tham số này là duy nhất cho mỗi điện tử trong một quỹ đạo, vì vậy hai điện tử không thể có cùng giá trị của bốn số lượng tử và mỗi quỹ đạo có thể bị chiếm bởi nhiều nhất hai điện tử.

Lai hóa cacbon là gì?

Để mô tả sự lai hóa của cacbon, phải tính đến các đặc điểm của mỗi quỹ đạo (hình dạng, năng lượng, kích thước, v.v.) của nó phụ thuộc vào cấu hình điện tử mà mỗi nguyên tử có.

Nghĩa là, đặc điểm của mỗi obitan phụ thuộc vào sự sắp xếp của các electron trong mỗi "lớp vỏ" hoặc mức độ: từ lớp gần hạt nhân nhất đến lớp ngoài cùng, còn gọi là lớp vỏ hóa trị.

Các electron ở cấp độ ngoài cùng là những electron duy nhất có sẵn để tạo liên kết. Do đó, khi một liên kết hóa học được hình thành giữa hai nguyên tử, sự xen phủ hoặc chồng chất của hai obitan (một từ mỗi nguyên tử) được tạo ra và điều này liên quan chặt chẽ đến hình học của phân tử.

Như đã đề cập trước đây, mỗi quỹ đạo có thể chứa tối đa hai điện tử nhưng Nguyên tắc Aufbau phải được tuân theo, bằng cách đó các quỹ đạo được lấp đầy theo mức năng lượng của chúng (từ nhỏ nhất đến lớn nhất), như được hiển thị hiển thị bên dưới:

Theo cách này, đầu tiên mức 1 s được lấp đầy, sau đó đến mức 2 s, tiếp theo là mức 2 p, v.v., tùy thuộc vào số lượng điện tử nguyên tử hoặc ion có.

Như vậy, sự lai hóa là một hiện tượng tương ứng với các phân tử, vì mỗi nguyên tử chỉ có thể đóng góp các obitan nguyên tử thuần túy (s, p, d, f) và do sự kết hợp của hai hoặc nhiều obitan nguyên tử nên có cùng lượng các obitan lai hóa cho phép liên kết giữa các nguyên tố.

Những loại chính

Các obitan nguyên tử có hình dạng và định hướng không gian khác nhau, độ phức tạp ngày càng tăng, như hình dưới đây:

Người ta quan sát thấy rằng chỉ có một loại quỹ đạo s (hình cầu), ba loại quỹ đạo p (hình dạng thùy, trong đó mỗi thùy được định hướng trên một trục không gian), năm loại quỹ đạo d và bảy loại quỹ đạo f, trong đó mỗi loại quỹ đạo sở hữu năng lượng chính xác như những quỹ đạo cùng loại.

Nguyên tử cacbon ở trạng thái cơ bản có sáu electron, có cấu hình là 1 s ² 2 s ² 2 p ^2. Nghĩa là, chúng phải chiếm mức 1 s (hai electron), 2 s (hai electron) và một phần 2p. (hai electron còn lại) theo Nguyên lý Aufbau.

Điều này có nghĩa là nguyên tử cacbon chỉ có hai electron chưa ghép đôi trong obitan 2 p, nhưng do đó không thể giải thích sự hình thành hoặc hình học của phân tử metan (CH ₄ ) hoặc những electron khác phức tạp hơn.

Vì vậy, để hình thành các liên kết này, cần có sự lai hóa của các obitan s và p (trong trường hợp là cacbon), để tạo ra các obitan lai hóa mới giải thích được cả liên kết đôi và liên kết ba, trong đó các electron có được cấu hình ổn định nhất để hình thành phân tử. .

Lai hóa sp

Sự lai hóa sp ³ bao gồm sự hình thành 4 obitan lai hóa từ các obitan 2s, 2p _x , 2p _y và 2p _z thuần túy.

Do đó, có sự sắp xếp lại của các điện tử ở mức 2, nơi có bốn điện tử có sẵn để hình thành bốn liên kết và chúng được sắp xếp song song để có ít năng lượng hơn (độ ổn định lớn hơn).

Một ví dụ là phân tử ethylene (C ₂ H ₄ ), mà các liên kết của chúng tạo thành góc 120 ° giữa các nguyên tử và tạo cho nó một dạng hình học tam giác phẳng.

Trong trường hợp này, liên kết đơn CH và CC (do ² obitan sp ) và liên kết đôi CC (do obitan p) được tạo ra để tạo thành phân tử bền nhất.

Lai hóa sp

Thông qua phép lai hóa sp ² , ba obitan lai hóa được tạo ra từ obitan 2s thuần và ba obitan 2p thuần túy. Hơn nữa, thu được một obitan p tinh khiết tham gia vào việc hình thành liên kết đôi (gọi là pi: "π").

Một ví dụ là phân tử ethylene (C ₂ H ₄ ), mà các liên kết của chúng tạo thành góc 120 ° giữa các nguyên tử và tạo cho nó một dạng hình học tam giác phẳng. Trong trường hợp này, liên kết đơn CH và CC (do ² obitan sp ) và liên kết đôi CC (do obitan p) được tạo ra để tạo thành phân tử bền nhất.