Hybrydyzacja w cząsteczce H2SO4

Które atomy hybrydyzują w kwasie siarkowym(VI) i dlaczego?

Odpowiedź

Koncepcja hybrydyzacji to bardzo użyteczne narzędzie teorii wiązań walencyjnych. Mimo że nie jest nieomylna i pozbawiona wad, to w wielu przypadkach pozwala w bardzo prosty sposób przewidywać kształt cząsteczek i przestrzenne rozmieszczenie obiektów w otoczeniu danego atomu.

To jak to jest w cząsteczce kwasu siarkowego(VI)? Aby wysuwać wnioski odnośnie hybrydyzacji, potrzebny jest nam wzór elektronowy cząsteczki kwasu siarkowego(VI). To jak go narysować?

To właściwie niezła zabawa, ponieważ wzory elektronowe można rysować na różne sposoby - ostatecznie istnieją różne sposoby przedstawienia chemicznej rzeczywistości. Każdorazowo należy jednak wykorzystać całą swoją wiedzę dot. danej drobiny, aby wybrać strukturę najlepiej odpowiadającą rzeczywistości. Ja na swojej chemicznej drodze spotykałem się najczęściej z trzema różnymi strukturami:

h2so4 struktury

Strukturę niebieską każe się rysować naszym maturzystom, struktura czerwona była strukturą wymaganą na moich studiach (ale KChNiTCS na moim macierzystym wydziale czasem odlatywała w kosmos), czarna natomiast - moim zdaniem - najlepiej opisuje rzeczywistość. Która co oznacza i dlaczego, to temat na osobną debatę. Przyjmijmy tutaj, że trzymamy się ostatniego, czarnego wzoru.

Kiedy patrzymy na cząsteczkę z perspektywy teorii wiązań walencyjnych (VB), przyjmujemy że orbitale atomowe wszystkich atomów uległy tzw. hybrydyzacji, czyli swego rodzaju wymieszaniu właściwości i tak przygotowane atomy zaczęły się wiązać między sobą. Oczywiście jest to zabieg czysto teoretyczny, atomy na wieść o tym, jak je właśnie potraktowałem, zapewne wybuchnęłyby gromkim śmiechem. :)

Bierzemy się za ostatnią strukturę i zaczynamy od siarki: ten atom połączony jest z czterema obiektami (dwa równocenne atomy tlenu (\mathrm{-OH}) i kolejne dwa równocenne atomy tlenu (\mathrm{=O}). Tworzy 4 wiązania sigma, stąd hybrydyzacja typu sp^3. Przyjęcie takiej struktury za poprawną prowadzi czasem do błędnej oceny hybrydyzacji, jako typu sp^3d^2. Moja odpowiedź jest na to taka: niezależnie od rzeczywistej roli orbitali 3d siarki w tworzeniu wiązania typu π z atomem tlenu, która w świecie chemików jest burzliwie dyskutowana, to hybrydyzacji nie ulegają orbitale atomowe odpowiedzialne za utworzenie wiązania typu π. Zgodnie z teorią VB, wiązania typu π powstają poprzez boczne nakładanie się orbitali niezhybrydyzowanych p-p lub też p-d, albo nawet d-d. Ten typ hybrydyzacji jako prawidłowy legitymizuje niemal tetraedryczne otoczenie atomu siarki (zaobserwowane w toku badań strukturalnych). Do tych samych wniosków doprowadziłyby nas pozostałe dwa wzory elektronowe.

Jeśli chodzi o atomy tlenu z grup \mathrm{-OH}, sytuacja jest banalnie prosta: dwa wiązania σ i dwie pary elektronowe, co daje nam hybrydyzację typu sp^3.

Dwa kolejne atomy tlenu (\mathrm{=O}) tworzą jedno wiązanie σ, jedno wiązanie π i posiadają po dwie wolne pary elektronowe każdy - stąd hybrydyzacja typu sp^2. Znowu dość typowy przykład, prawda? Pojawia się jednak pewna rozbieżność, gdy za właściwą przyjmiemy jedną z dwóch pozostałych struktur elektronowych, które podałem. Dlaczego? Tam te same atomy tlenu byłyby opisywane hybrydyzacją typu sp^3! Widać to? Jedno wiązanie σ, trzy wolne pary elektronowe - nie może być inaczej.

Na pytanie, co z tym zrobić, moja odpowiedź jest taka: to bez znaczenia! Określenie hybrydyzacji jest dla nas ważne wtedy, gdy od jej rodzaju zależy kształt cząsteczki. W przypadku omawianych atomów tlenu, jakiej hybrydyzacji im nie wymyślimy, nie ma to żadnego wpływu na budowę całej molekuły. Właśnie dlatego to hybrydyzacja orbitali atomu centralnego ma dla nas kluczowy wpływ dla wyciągania kolejnych wniosków. Niemniej, skoro stwierdzam, że czarna struktura ma najwięcej wspólnego z rzeczywistością (a przynajmniej wynikami badań strukturalnych), to trzymam się wersji sp^2. :)

A co z wodorami? Ano nic, chemia wodoru to chemia elektronów na orbitalu 1s. Skoro mamy tylko jeden orbital, to z czym ma on tworzyć hybrydy? Sam ze sobą? No nie - orbital 1s atomu wodoru zawsze pozostaje niezhybrydyzowany i nakładając się czołowo z innym orbitalem typu s, orbitalem typu p lub hybrydą

Pozdrawiam!