Kluczowa różnica między teorią orbitali molekularnych a teorią hybrydyzacji polega na tym, że teoria orbitali molekularnych opisuje tworzenie orbitali wiążących i antywiążących, podczas gdy teoria hybrydyzacji opisuje tworzenie orbitali hybrydowych.
Opracowano różne teorie w celu określenia struktur elektronowych i orbitalnych molekuł. Tak ważnymi teoriami są teoria VSEPR, teoria Lewisa, teoria wiązań walencyjnych, teoria hybrydyzacji i teoria orbitali molekularnych. Najbardziej akceptowaną teorią wśród nich jest teoria orbitali molekularnych.
Co to jest teoria orbitali molekularnych?
Teoria orbitali molekularnych to technika opisu struktury elektronowej molekuł za pomocą mechaniki kwantowej. Jest to najbardziej produktywny sposób wyjaśnienia wiązań chemicznych w cząsteczkach. Omówmy tę teorię szczegółowo.
Po pierwsze, musimy wiedzieć, czym są orbitale molekularne. Wiązanie chemiczne tworzy się między dwoma atomami, gdy wypadkowa siła przyciągania między dwoma jądrami atomowymi i elektronami pomiędzy nimi przekracza odpychanie elektrostatyczne między dwoma jądrami atomowymi. Zasadniczo oznacza to, że siły przyciągania między dwoma atomami powinny być większe niż siły odpychania między tymi dwoma atomami. Tutaj elektrony muszą istnieć w regionie zwanym „obszarem wiązania”, aby utworzyć to wiązanie chemiczne. Jeśli nie, elektrony znajdą się w „obszarze przeciwdziałającym wiązaniu”, co pomoże w odpychaniu między atomami.
Jednakże jeśli wymagania są spełnione i pomiędzy dwoma atomami utworzy się wiązanie chemiczne, wówczas odpowiednie orbitale zaangażowane w wiązanie nazywane są orbitalami molekularnymi. Tutaj możemy zacząć od dwóch orbitali dwóch atomów, a skończyć na jednym orbitalu (orbicie molekularnym), który należy do obu atomów.
Zgodnie z mechaniką kwantową orbitale atomowe nie mogą pojawiać się ani znikać tak, jak sobie tego życzymy. Kiedy orbitale oddziałują ze sobą, mają tendencję do odpowiedniego zmieniania swoich kształtów. Ale zgodnie z mechaniką kwantową mogą swobodnie zmieniać kształt, ale muszą mieć taką samą liczbę orbitali. Następnie musimy znaleźć brakujący orbital. Tutaj połączenie w fazie dwóch orbitali atomowych tworzy orbital wiązania, podczas gdy kombinacja poza fazą tworzy orbital przeciw wiązaniu.
Rysunek 01: Schemat orbity molekularnej
Elektrony wiążące zajmują orbital wiążący, podczas gdy elektrony na orbitalu przeciwdziałającym wiązaniu nie uczestniczą w tworzeniu wiązania. Przeciwnie, te elektrony aktywnie przeciwstawiają się tworzeniu wiązania chemicznego. Orbital wiążący ma niższą energię potencjalną niż orbital antywiążący. Jeśli weźmiemy pod uwagę wiązanie sigma, denotacją dla orbitalu wiążącego jest σ, a orbitalem antywiążącym jest σ. Możemy użyć tej teorii do opisania struktury skomplikowanych cząsteczek, aby wyjaśnić, dlaczego niektóre cząsteczki nie istnieją (tj. He2) i kolejność wiązań cząsteczek. Tak więc opis ten krótko wyjaśnia podstawy teorii orbitali molekularnych.
Co to jest teoria hybrydyzacji?
Teoria hybrydyzacji to technika, której używamy do opisu orbitalnej struktury cząsteczki. Hybrydyzacja to tworzenie orbitali hybrydowych poprzez zmieszanie dwóch lub więcej orbitali atomowych. Orientacja tych orbitali determinuje geometrię cząsteczki. Jest to rozwinięcie teorii wiązań walencyjnych.
Przed utworzeniem orbitali atomowych mają one różne energie, ale po utworzeniu wszystkie orbitale mają taką samą energię. Na przykład orbital atomowy s i orbital atomowy p mogą się łączyć, tworząc dwa orbitale sp. Orbitale atomowe s i p mają różne energie (energia s < energia p). Ale po hybrydyzacji tworzy dwa orbitale sp, które mają tę samą energię, a energia ta leży między energiami poszczególnych orbitali atomowych s i p. Co więcej, ten hybrydowy orbital sp ma 50% charakterystyk orbitalnych s i 50% charakterystyk orbitalnych p.
Rysunek 02: Wiązanie pomiędzy hybrydowymi orbitalami atomu węgla i s orbitalami atomów wodoru
Pomysł hybrydyzacji po raz pierwszy pojawił się w dyskusji, ponieważ naukowcy zaobserwowali, że teoria wiązań walencyjnych nie jest w stanie poprawnie przewidzieć struktury niektórych cząsteczek, takich jak CH4Tutaj, chociaż atom węgla ma tylko dwa niesparowane elektrony zgodnie z jego konfiguracją elektronową, może tworzyć cztery wiązania kowalencyjne. Aby utworzyć cztery wiązania, muszą być cztery niesparowane elektrony.
Jedynym sposobem, w jaki mogli wyjaśnić to zjawisko, było myślenie, że orbitale s i p atomu węgla łączą się ze sobą, tworząc nowe orbitale zwane orbitalami hybrydowymi, które mają tę samą energię. Tutaj jeden s + trzy p daje 4 orbitale sp3. Dlatego elektrony równomiernie wypełniają te orbitale hybrydowe (jeden elektron na orbital hybrydowy), zgodnie z regułą Hunda. Następnie są cztery elektrony do utworzenia czterech wiązań kowalencyjnych z czterema atomami wodoru.
Jaka jest różnica między teorią orbity molekularnej a teorią hybrydyzacji?
Teoria orbitali molekularnych to technika opisu struktury elektronowej molekuł za pomocą mechaniki kwantowej. Teoria hybrydyzacji to technika, której używamy do opisania struktury orbitalnej cząsteczki. Tak więc kluczowa różnica między teorią orbitali molekularnych a teorią hybrydyzacji polega na tym, że teoria orbitali molekularnych opisuje tworzenie orbitali wiążących i antywiążących, podczas gdy teoria hybrydyzacji opisuje tworzenie orbitali hybrydowych.
Ponadto, zgodnie z teorią orbitali molekularnych, nowe formy orbitali powstają w wyniku mieszania orbitali atomowych dwóch atomów, podczas gdy w teorii hybrydyzacji nowe formy orbitali tworzą mieszanie orbitali atomowych tego samego atomu. Jest to zatem kolejna różnica między teorią orbitali molekularnych a teorią hybrydyzacji.
Podsumowanie – Teoria orbitali molekularnych a teoria hybrydyzacji
Zarówno teoria orbitali molekularnych, jak i teoria hybrydyzacji są ważne w określaniu struktury cząsteczki. Kluczową różnicą między teorią orbitali molekularnych a teorią hybrydyzacji jest to, że teoria orbitali molekularnych opisuje tworzenie orbitali wiążących i antywiążących, podczas gdy teoria hybrydyzacji opisuje tworzenie orbitali hybrydowych.
