הכלאת אורביטלים אטומיים – הבדלי גרסאות

 

== כללי יסוד לשימוש בהכלאה אורביטלית ==

 

כדי להיעזר בהכלאה אורביטלית להבנה מלאה של רמות האנרגיה במולקולה נדרש ידע מעמיק ב[[תורת הקוונטים]].

עם זאת, ניתן להשתמש בה להבנת הצורה המולקולרית, והבנה חלקית של רמות האנרגיה על פי כמה כללים בסיסיים:

* [[כיווניות]]ו של כל אטום במולקולה קובעת את מספר האורביטלים המוכלאים

:כאשר בכל אטום זוג אלקטרונים לא קושר מוסיף לכיווניות 1, כל קשר יחיד כפול או משולש מוסיפים גם הם כל אחד אחת לכיווניות. (למשל במולקולה [[מתאן]] CH₄- לפחמן יש ארבעה קשרים לכן כיווניותו 4, במולקולת ה[[מים]] H₂0 לחמצן ישנם שני זוגות אלקטרונים לא קושרים ושני קשרים לכן כיווניותו אף היא 4. במולקולת ה[[חנקן]] N₂, לכל אטום ישנו קשר משולש אחד וזוג אלקטרונים לא קושר אחד, לכן כיווניותו תהיה 2. ההיברידיזציה בסופו של דבר היא כזו:

 

:(כיווניות פחות אחד)×(אורביטלי P) + (אורביטלי S)

* כל קשר יחיד במולקולה מייצג אורביטל מולקולרי מסוג [[אורביטל סיגמא]]

:קשר כזה נקרא גם [[קשר סיגמא]]. כאשר קשר סיגמא נוצר רק מחפיפה בין אורביטלי s או מחפיפה בין הכלאה של אורביטל s ואורביטל p.

* בכל קשר כפול במולקולה, הקשר השני מייצג אורביטל מולקולרי מסוג [[אורביטל פאי]]

:קשר כזה נקרא גם [[קשר פאי]]. קשר פאי נוצר רק מהקבלה בין אורביטלי p.

:2s²2p_x¹2p_y¹2p_z⁰

 

המדובר הוא בהכלאה בין שני אורביטלי p ואורביטל s אחד, נהוג לסמנה כ sp².

נוצרו שלושה אורביטלים חדשים, כל אחד מהם sp². לידיעת אכלוס האלקטרונים בהם יש לדעת את גובה האנרגיה שלהם, שאותה ניתן לאמוד בעזרת חישובי [[תוחלת]] -

 

sp2 ² sp2 ¹ sp2 ¹ p ⁰, אלא שבכדי ליצור את הקשרים אחד האלקטרון עובר [[עירור]] והתוצאה היא sp2 ¹ sp2 ¹ sp2 ¹ p ¹

 

(הרווח האנרגטי מתהליך זה, יתגלה בעת יצירת הקשר הכימי אז חפיפת האורביטלים תהפוך את התהליך ל[[אקסותרמי]]).

 

{{פישוט}}

שימוש פשוט בתוצאות של התורה נעזר ב[[כלל אצבע|כללי אצבע]] של הכלאה אורביטלית:

* '''חוק שימור האורביטלים''' - מספר האורביטלים המעורבבים הוא מספר האורביטלים שנוצרו. בדוגמת האתן, עלינו ליצור שלושה אורביטלים, לכן נערבב שלושה אורביטלים. חוק זה נכון מסיבות חישוביות: כל אורביטל הוא בעצם [[וקטור עצמי]] של ה[[המילטוניאן]] של המולקולה, המילטוניאן זה נפרש על [[בסיס (אלגברה)|בסיס]] שעוצמתו כעוצמת האורביטלים המעורבבים, וכיוון של[[מטריצה]] [[אופרטור הרמיטי|הרמיטית]] nXn יש n וקטורים עצמיים, מספר הווקטורים העצמיים שווה למספר וקטורי הבסיס.

* '''הכיווניות היא סכום המעריכים''' - מכיוון שנהוג לכתוב את מספר האורביטלים המעורבבים בכתב עילי (למשל בדוגמה של אתן שני אורביטלי p ואורביטל s נכתבים כ: sp²) קל לסכום את המספרים בכתב העילי, וסכום זה צריך להיות שווה לכיווניות. לדוגמה במקרה של אתן, sp², ה"מעריך" של s הוא 1, ה"מעריך" של p הוא 2 לכן 2+1=3, היברידיזציה זו טובה לכל אטום בעל כיווניות 3.

* '''האנרגיה מצייתת ל[[חוק המנוף]]''' - האורביטלים החדשים נמצאים בתווך בין האורביטלים הישנים, וקרוב יותר לאורביטל ממנו עירבבנו יותר, ביחס ישר. למשל, בדוגמה של אתן עירבבנו שלשה אורבטלים לכן עלינו לחלק את הפער לשלש יחידות. היחס בין האורבטלים הישנים היה 1:2 אורביטלי s:p, לכן גם האנרגיה נמצאת בשני שלישים הפער בין s לp. חוק המנוף משמש במקרה זה משום שהוא הצגה אחרת של חישוב [[תוחלת]].