הכלאה של פחמן כרוך שילוב של שני אורביטל אטומי טהור כדי ליצור "היברידי" מסלולית מולקולרי חדש עם מאפיינים משלה. הרעיון של מסלול אטומי נותן הסבר טוב יותר מהקונספט של מסלול מסלול קודם, כדי לקבוע קירוב למקום בו יש סבירות גבוהה יותר למצוא אלקטרון בתוך אטום.

במילים אחרות, מסלול אטומי הוא ייצוג מכניקת הקוונטים כדי לתת מושג לגבי מיקומו של אלקטרון או זוג אלקטרונים באזור מסוים בתוך האטום, כאשר כל מסלול מוגדר על פי הערכים של המספרים שלו קוונטית.

מספרים קוונטיים מתארים את מצב המערכת (כמו זה של האלקטרון שבתוך האטום) ברגע נתון, דרך האנרגיה השייכת לאלקטרון (n), התנע הזוויתי שהוא מתאר בתנועתו (l), הרגע המגנטי הקשור (m) וסיבוב האלקטרון בזמן שהוא נע בתוך האטום (ים).

פרמטרים אלה הם ייחודיים עבור כל אלקטרון במסלול, כך שלשני אלקטרונים לא יכול להיות בדיוק אותם ערכים של ארבעת המספרים הקוונטים, וכל מסלול יכול להיות תפוס על ידי שני אלקטרונים לכל היותר.

מהי הכלאה פחמנית?

כדי לתאר את ההכלאה של הפחמן, יש לקחת בחשבון כי המאפיינים של כל מסלול (צורתו, האנרגיה, הגודל וכו ') תלויים בתצורה האלקטרונית של כל אטום.

כלומר המאפיינים של כל מסלול תלויים בסידור האלקטרונים בכל "קליפה" או רמה: מהקרוב ביותר לגרעין עד החיצוני ביותר, המכונה גם מעטפת הערכיות.

האלקטרונים ברמה החיצונית ביותר הם היחידים הזמינים ליצירת קשר. לכן, כאשר נוצר קשר כימי בין שני אטומים, נוצרת חפיפה או סופרפוזיציה של שני אורביטלים (אחד מכל אטום) וזה קשור קשר הדוק לגיאומטריה של המולקולות.

כאמור, ניתן למלא כל מסלול במקסימום שני אלקטרונים, אך יש לעקוב אחר עקרון Aufbau, אשר באמצעותו מתמלאים האורביטלים לפי רמת האנרגיה שלהם (מהקטן ביותר לגדול ביותר), כפי שמוצג מראה להלן:

בדרך זו, תחילה מתמלאים רמת 1 שניות, ואז 2 שניות, ואחריהן 2 p וכן הלאה, תלוי בכמה אלקטרונים יש לאטום או יון.

לפיכך, הכלאה היא תופעה המתאימה למולקולות, מכיוון שכל אטום יכול לתרום רק אורביטלים אטומיים טהורים (s, p, d, f), ובשל השילוב של שני אורביטלים אטומיים או יותר, אותה כמות של אורביטלים היברידיים המאפשרים קישורים בין אלמנטים.

סוגים עיקריים

אורביטלים אטומיים בעלי צורות שונות וכיוונים מרחביים, הגוברים במורכבות, כמוצג להלן:

נציין כי יש רק סוג אחד של מסלול s (צורה כדורית), שלושה סוגים של מסלול p (צורה לובלית, כאשר כל אונה מכוונת על ציר מרחבי), חמישה סוגים של מסלול d ושבעה סוגים של מסלול f, כאשר כל סוג של למסלול יש אותה אנרגיה בדיוק כמו זו מסוגה.

לאטום הפחמן במצבו הקרקע יש שישה אלקטרונים, אשר התצורה שלהם היא 1 s ² 2 s ² 2 p ^2. כלומר, עליהם לכבוש את המפלס 1 שניות (שני אלקטרונים), את 2 שניות (שני אלקטרונים) ובחלקם את 2p (שני האלקטרונים הנותרים) על פי עקרון Aufbau.

יש משמעות דבר כי אטום פחמן רק שני אלקטרונים מזווגים ב p 2 מסלולית, אך ובכך לא ניתן להסביר את ההיווצרות או גיאומטריה של מתאן (CH ₄ ) מולקולה או מהיותר מורכב אחר.

לכן כדי ליצור קשרים אלה יש צורך בהכלאה של האורביטלים s ו- p (במקרה של פחמן), ליצירת אורביטלים היברידיים חדשים המסבירים אפילו את הקשרים הכפולים והמשולשים, שבהם האלקטרונים רוכשים את התצורה היציבה ביותר ליצירת מולקולות. .

Sp הכלאה

ההכלאה sp ³ מורכבת מהיווצרותם של ארבעה אורביטלים "היברידיים" מתוך ה- 2s, 2p _x , 2p _y ו- 2p _z האורביטלים .

לפיכך, יש את הסידור מחדש של האלקטרונים ברמה 2, שם יש ארבעה אלקטרונים זמינים ליצירת ארבעה קשרים והם מסודרים במקביל שיהיו להם פחות אנרגיה (יציבות גדולה יותר).

דוגמה לכך היא מולקולת אתילן (C ₂ H ₄ ), אשר אג"ח יוצרים 120 ° זוויות בין האטומים ולתת לו מישוריים trigonal הגיאומטריה.

במקרה זה, נוצרים קשרים יחידים של CH ו- CC (כתוצאה מהאורביטלים sp ² ) וקישור כפול CC (בגלל המסלול p) ליצירת המולקולה היציבה ביותר.

Sp הכלאה

באמצעות הכלאה sp ² נוצרים שלושה מסלולי אור "היברידיים" מהקבוצה ה 2 טהורה ושלושה אורביטלים טהורים של 2p. יתר על כן, מתקבל אורביטל p טהור שמשתתף ביצירת קשר כפול (נקרא pi: "π").

דוגמה לכך היא מולקולת אתילן (C ₂ H ₄ ), אשר אג"ח יוצרים 120 ° זוויות בין האטומים ולתת לו מישוריים trigonal הגיאומטריה. במקרה זה, נוצרים קשרים יחידים של CH ו- CC (עקב מסלולי ה- sp ² ) וקישור כפול CC (בגלל המסלול p) ליצירת המולקולה היציבה ביותר.