Hibridizare și geometrie moleculară

Hibridizarea este amestecarea orbitalilor $s$ și $p$ ai aceluiași atom, din care rezultă orbitali hibrizi identici ca formă și energie. Geometria unei molecule depinde de regiunile de electroni din jurul atomului central. În modelul VSEPR, regiunile se așază cât mai depărtat; perechile neparticipante modifică unghiurile dintre legături. Carbonul cu patru legături simple, ca în $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$, este descris prin hibridizare $s{p}^3$ și geometrie tetraedrică. În etenă, fiecare carbon este $s{p}^2$, cu geometrie trigonal-plană; în etină este $sp$, cu geometrie liniară. Apa este unghiulară deoarece oxigenul are două perechi neparticipante, iar amoniacul este piramidal trigonal datorită perechii libere de pe azot.

Hibridizarea carbonului. În starea fundamentală, carbonul are configurația $1s^{2}2s^{2}2p^2$, cu doi electroni necuplați. Prin trecerea unui electron $2s\to 2p$ rezultă $2s^{1}2p^3$, cu patru electroni necuplați, apoi orbitalii $2s$ și $2p$ se amestecă:

• $s{p}^3$: un orbital $s$ și trei orbitali $p$ dau patru orbitali hibrizi ($25\%$ caracter $s$), orientați spre vârfurile unui tetraedru, la $109^{\circ }28^{\prime }$; legătura $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ are $154$ pm;
• $s{p}^2$: un orbital $s$ și doi orbitali $p$ dau trei orbitali hibrizi ($33\%$ caracter $s$), așezați într-un plan, la $120^{\circ }$; rămâne un orbital $p$ nehibridizat, perpendicular pe plan, care formează legătura $\pi$; legătura $\mathrm{C}=\mathrm{C}$ are $134$ pm;
• $sp$: un orbital $s$ și un orbital $p$ dau doi orbitali hibrizi ($50\%$ caracter $s$), la $180^{\circ }$; rămân doi orbitali $p$ nehibridizați, care formează cele două legături $\pi$; legătura $\mathrm{C}\equiv \mathrm{C}$ are $120$ pm.

Modelul VSEPR în pași. Pentru o moleculă cu atom central $\mathrm{A}$:

1. Se numără electronii de valență ai moleculei și se împart în perechi.
2. Se numără regiunile de electroni din jurul atomului central: fiecare legătură $\sigma$ și fiecare pereche neparticipantă este o regiune, iar o legătură multiplă ocupă o singură regiune.
3. Numărul regiunilor dă hibridizarea: două $sp$, trei $s{p}^2$, patru $s{p}^3$.
4. Forma moleculei se citește din poziția atomilor, nu a perechilor libere. Respingerea scade în ordinea pereche liberă–pereche liberă, pereche liberă–pereche de legătură, pereche de legătură–pereche de legătură.

Exemplu rezolvat 1: apa.

1. Electroni de valență: $6+2\cdot 1=8$, adică $4$ perechi.
2. Oxigenul formează $2$ legături $\sigma$ și are $2$ perechi neparticipante: $4$ regiuni.
3. Hibridizarea oxigenului este $s{p}^3$, iar cele patru perechi sunt orientate tetraedric.
4. Se văd doar doi atomi de hidrogen, deci molecula este unghiulară; cele două perechi libere strâng unghiul $\widehat{\mathrm{HOH}}$ la $104,5^{\circ }$, sub $109^{\circ }28^{\prime }$.

Exemplu rezolvat 2: trifluorura de bor $\mathrm{B}{\mathrm{F}}_3$.

1. Borul are $3$ electroni de valență și fiecare fluor câte $7$; borul formează trei legături $\sigma$ și rămâne fără perechi neparticipante.
2. Sunt $3$ regiuni, deci borul este $s{p}^2$ și are numai șase electroni în jurul său, o excepție de la octet.
3. Cele trei regiuni se depărtează egal, la $120^{\circ }$, deci molecula este trigonal-plană.

Exemplu rezolvat 3: etena $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$.

1. Fiecare carbon formează trei legături $\sigma$ (două $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ și una $\mathrm{C}-\mathrm{C}$) și nu are perechi neparticipante: trei regiuni.
2. Hibridizarea este $s{p}^2$, unghiurile sunt apropiate de $120^{\circ }$, iar cei șase atomi se află în același plan.
3. Orbitalii $p$ nehibridizați, perpendiculari pe plan, se suprapun lateral și formează legătura $\pi$ deasupra și dedesubtul planului; de aceea rotația în jurul legăturii $\mathrm{C}=\mathrm{C}$ este blocată.

Comparație cu amoniacul. În $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ azotul este $s{p}^3$, are o pereche liberă și unghiul $107^{\circ }$; prin legarea unui proton rezultă $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4^{+}$, fără pereche liberă, tetraedric, cu $109^{\circ }28^{\prime }$.

Regula de determinare: numărul regiunilor de electroni (legături $\sigma$ plus perechi neparticipante) dă hibridizarea.

Numărarea atomilor de carbon pe tipuri (după legăturile multiple):

• propenă $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{CH}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$: doi $s{p}^2$ și un $s{p}^3$;
• propină $\mathrm{CH}\equiv \mathrm{C}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$: doi $sp$ și un $s{p}^3$;
• acrilonitril $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{CH}-\mathrm{C}\equiv \mathrm{N}$: doi $s{p}^2$ și un $sp$; azotul este $sp$;
• 1,3-butadienă: patru $s{p}^2$;
• acid acetic: grupa $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$ este $s{p}^3$, iar carbonul din $\mathrm{COOH}$ este $s{p}^2$;
• benzaldehidă: toți cei șapte atomi de carbon sunt $s{p}^2$;
• $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$: carbonul este $sp$.

Exemplu în format de admitere (complement simplu). Câți atomi de carbon hibridizați $s{p}^2$ are acidul acrilic $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{CH}-\mathrm{COOH}$? A. 0; B. 1; C. 2; D. 3; E. 4.

1. Carbonul din $=\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$ are trei legături $\sigma$ (două $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ și una $\mathrm{C}-\mathrm{C}$) și o legătură $\pi$: trei regiuni, $s{p}^2$.
2. Carbonul din $=\mathrm{CH}-$ are tot trei legături $\sigma$: $s{p}^2$.
3. Carbonul din $\mathrm{COOH}$ are trei legături $\sigma$ (spre carbon, spre oxigenul dublu legat și spre $\mathrm{OH}$) și o legătură $\pi$: $s{p}^2$.

Răspuns: D.

Exemplu în format de admitere (complement grupat). Despre molecula de amoniac sunt corecte afirmațiile:

1. azotul este hibridizat $s{p}^3$;
2. molecula este piramidală trigonală;
3. unghiul $\widehat{\mathrm{HNH}}$ este mai mic decât $109^{\circ }28^{\prime }$;
4. azotul are patru perechi neparticipante.

A. numai 1, 2 și 3; B. numai 1 și 3; C. numai 2 și 4; D. numai 4; E. toate. Azotul are patru regiuni și o singură pereche liberă, deci 1, 2 și 3 sunt adevărate, iar 4 este fals. Răspuns: A.

Greșeli frecvente

• Greșit: $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ este o moleculă tetraedrică fiindcă azotul are patru regiuni electronice.
  Corect: una dintre regiuni este pereche liberă; forma moleculei este piramidal-trigonală.
• Greșit: $\mathrm{B}{\mathrm{F}}_3$ trebuie să aibă o pereche liberă pe bor pentru a completa octetul.
  Corect: borul are trei legături și un sextet în această moleculă, iar geometria este trigonal-plană.
• Greșit: Carbonul din $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ este $s{p}^2$, deoarece formează două legături duble.
  Corect: carbonul are două legături $\sigma$, deci două regiuni, și este $sp$; legăturile $\pi$ nu se numără ca regiuni.
• Greșit: Unghiul $\widehat{\mathrm{HOH}}$ din apă este $109^{\circ }28^{\prime }$, fiindcă oxigenul este $s{p}^3$.
  Corect: cele două perechi libere strâng unghiul la $104,5^{\circ }$.

Înainte și după