การผสมพันธ์ของคาร์บอนเกี่ยวข้องกับการรวมกันของออร์บิทัลอะตอมบริสุทธิ์สองวงเพื่อสร้าง "ไฮบริด" ออร์บิทัลโมเลกุลใหม่ที่มีลักษณะเฉพาะของมันเอง แนวคิดเกี่ยวกับการโคจรของอะตอมให้คำอธิบายที่ดีกว่าแนวคิดก่อนหน้าของวงโคจรเพื่อสร้างการประมาณว่ามีความเป็นไปได้สูงกว่าที่จะพบอิเล็กตรอนภายในอะตอม

กล่าวอีกนัยหนึ่งออร์บิทัลของอะตอมคือการแสดงกลศาสตร์ควอนตัมเพื่อให้ทราบถึงตำแหน่งของอิเล็กตรอนหรือคู่ของอิเล็กตรอนในพื้นที่หนึ่ง ๆ ภายในอะตอมซึ่งแต่ละออร์บิทัลถูกกำหนดตามค่าของตัวเลข ควอนตัม

ตัวเลขควอนตัมอธิบายสถานะของระบบ (เช่นของอิเล็กตรอนภายในอะตอม) ณ ช่วงเวลาหนึ่งโดยผ่านพลังงานที่เป็นของอิเล็กตรอน (n) โมเมนตัมเชิงมุมที่อธิบายในการเคลื่อนที่ (l) โมเมนต์แม่เหล็กที่เกี่ยวข้อง (m) และการหมุนของอิเล็กตรอนขณะที่มันเดินทางภายในอะตอม

พารามิเตอร์เหล่านี้ไม่ซ้ำกันสำหรับอิเล็กตรอนแต่ละตัวในออร์บิทัลดังนั้นอิเล็กตรอนสองตัวจึงไม่สามารถมีค่าของเลขควอนตัมทั้งสี่ค่าเท่ากันได้และแต่ละออร์บิทัลสามารถครอบครองโดยอิเล็กตรอนได้มากที่สุดสองตัว

Carbon Hybridization คืออะไร?

ในการอธิบายการผสมพันธ์ของคาร์บอนจะต้องคำนึงถึงว่าลักษณะของแต่ละออร์บิทัล (รูปร่างพลังงานขนาด ฯลฯ ) ขึ้นอยู่กับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของแต่ละอะตอม

นั่นคือลักษณะของแต่ละออร์บิทัลขึ้นอยู่กับการจัดเรียงของอิเล็กตรอนในแต่ละ "เปลือก" หรือระดับ: จากที่ใกล้ที่สุดกับนิวเคลียสถึงนอกสุดหรือที่เรียกว่าเปลือกวาเลนซ์

อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับนอกสุดเป็นเพียงอิเล็กตรอนที่สามารถสร้างพันธะได้ ดังนั้นเมื่อเกิดพันธะเคมีระหว่างอะตอมสองอะตอมการทับซ้อนกันหรือการซ้อนทับของสองออร์บิทัล (หนึ่งจากแต่ละอะตอม) จะถูกสร้างขึ้นและสิ่งนี้เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับรูปทรงเรขาคณิตของโมเลกุล

ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้แต่ละออร์บิทัลสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้สูงสุดสองตัว แต่ต้องปฏิบัติตามหลักการ Aufbau โดยวิธีการที่วงโคจรจะถูกเติมเต็มตามระดับพลังงาน (จากน้อยที่สุดไปหามากที่สุด) ดังที่แสดง แสดงด้านล่าง:

ด้วยวิธีนี้ก่อนอื่นให้เติมระดับ 1 วินาทีจากนั้น 2 วินาทีตามด้วย 2 p และอื่น ๆ ขึ้นอยู่กับว่าอะตอมหรือไอออนมีอิเล็กตรอนกี่ตัว

ดังนั้นการผสมพันธุ์จึงเป็นปรากฏการณ์ที่สอดคล้องกับโมเลกุลเนื่องจากแต่ละอะตอมสามารถมีส่วนร่วมได้เฉพาะออร์บิทัลอะตอมบริสุทธิ์ (s, p, d, f) และเนื่องจากการรวมกันของออร์บิทัลอะตอมตั้งแต่สองตัวขึ้นไปจำนวนเท่ากัน ไฮบริดออร์บิทัลที่อนุญาตให้เชื่อมโยงระหว่างองค์ประกอบต่างๆ

ประเภทหลัก

วงโคจรของอะตอมมีรูปร่างและการวางแนวเชิงพื้นที่ที่แตกต่างกันซึ่งมีความซับซ้อนเพิ่มขึ้นดังที่แสดงด้านล่าง:

เป็นที่สังเกตว่ามีออร์บิทัลเพียงชนิดเดียว (รูปทรงกลม) p สามประเภท (รูปทรงกลมซึ่งแต่ละกลีบจะวางอยู่บนแกนเชิงพื้นที่) วงโคจร d 5 ประเภทและวงโคจร f 7 ประเภทโดยที่แต่ละประเภทของ ออร์บิทัลมีพลังงานแบบเดียวกับของมัน

อะตอมของคาร์บอนในสถานะพื้นมีอิเล็กตรอน 6 ตัวซึ่งมีโครงร่างคือ 1 วินาที² 2 วินาที² 2 พี²นั่นคือพวกมันควรครอบครองระดับ 1 วินาที (อิเล็กตรอนสองตัว) 2 วินาที (อิเล็กตรอนสองตัว) และบางส่วนของ 2p (อิเล็กตรอนสองตัวที่เหลือ) ตามหลักการของ Aufbau

ซึ่งหมายความว่าอะตอมของคาร์บอนมีอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่เพียงสองตัวในออร์บิทัล 2 p แต่จึงไม่สามารถอธิบายการก่อตัวหรือรูปทรงเรขาคณิตของโมเลกุลมีเธน (CH ₄ ) หรือโมเลกุลอื่น ๆ ที่ซับซ้อนกว่าได้

ดังนั้นในการสร้างพันธะเหล่านี้จึงจำเป็นต้องมีการผสมพันธุ์ของ s และ p ออร์บิทัล (ในกรณีของคาร์บอน) เพื่อสร้างออร์บิทัลลูกผสมใหม่ที่อธิบายแม้กระทั่งพันธะคู่และพันธะสามซึ่งอิเล็กตรอนได้รับการกำหนดค่าที่เสถียรที่สุดสำหรับการสร้างโมเลกุล .

การผสมพันธ์ sp

การผสมพันธ์ sp ³ประกอบด้วยการก่อตัวของวงโคจร "ไฮบริด" สี่วงจากวงโคจรบริสุทธิ์2s, 2p _x , 2p _yและ 2p _z

ดังนั้นจึงมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนใหม่ที่ระดับ 2 ซึ่งมีอิเล็กตรอน 4 ตัวสำหรับการสร้างพันธะสี่พันธะและจัดเรียงขนานกันเพื่อให้มีพลังงานน้อยลง (มีเสถียรภาพมากขึ้น)

ตัวอย่างคือโมเลกุลของเอทิลีน (C ₂ H ₄ ) ซึ่งพันธะก่อตัวเป็นมุม 120 °ระหว่างอะตอมและให้รูปเรขาคณิตตรีโกณมิติระนาบ

ในกรณีนี้พันธะเดี่ยว CH และ CC (เนื่องจากวงโคจรsp ² ) และพันธะคู่ CC (เนื่องจาก p ออร์บิทัล) จะถูกสร้างขึ้นเพื่อสร้างโมเลกุลที่เสถียรที่สุด

การผสมพันธ์ sp

ด้วยการผสมพันธุ์ sp ²วงโคจร "ไฮบริด" สามวงถูกสร้างขึ้นจากออร์บิทัล 2s บริสุทธิ์และออร์บิทัล 2p บริสุทธิ์สามวง นอกจากนี้ยังได้รับ p ออร์บิทัลบริสุทธิ์ที่มีส่วนร่วมในการสร้างพันธะคู่ (เรียกว่า pi: "π")

ตัวอย่างคือโมเลกุลของเอทิลีน (C ₂ H ₄ ) ซึ่งพันธะก่อตัวเป็นมุม 120 °ระหว่างอะตอมและให้รูปเรขาคณิตตรีโกณมิติระนาบ ในกรณีนี้พันธะเดี่ยว CH และ CC (เนื่องจากวงโคจรsp ² ) และพันธะคู่ CC (เนื่องจาก p ออร์บิทัล) จะถูกสร้างขึ้นเพื่อสร้างโมเลกุลที่เสถียรที่สุด