A4.2 Hybridisering

Det skal du kunne

forklare, hvorfor carbonatomets orbitaler blandes, når carbon danner bindinger
beskrive sp³-, sp²- og sp-hybridisering og de vinkler, de giver
forklare formen af methan ud fra sp³-hybridisering
bestemme hybridiseringen af et carbonatom i en strukturformel

Carbon danner altid fire bindinger. Det har du brugt, siden du tegnede dine første strukturformler. Men elektronkonfigurationen 1s² 2s² 2p² fra afsnit A4.1 viser kun to enlige elektroner. Hvor kommer de fire bindinger fra, og hvorfor er de fire bindinger i methan helt ens?

En binding er to orbitaler, der overlapper

En kovalent binding opstår, når en orbital fra ét atom overlapper med en orbital fra et andet atom. I overlappet er der et elektronpar, som de to atomer deles om. Hvert atom kommer med én elektron.

I dihydrogen, H₂, overlapper de to 1s-orbitaler. Hvert hydrogenatom har én elektron i 1s, så overlappet rummer to elektroner.

Et atom kan altså danne en binding for hver orbital, der har én elektron.

Carbonatomets fire ens orbitaler

Carbonatomet har et elektronpar i 2s og kun to enlige elektroner i 2p. Efter reglen skulle carbon danne to bindinger. Målinger viser noget andet: methan, CH₄, har fire bindinger, og de er præcis lige lange og lige stærke.

Forklaringen er, at carbonatomets 2s-orbital og dets tre 2p-orbitaler blandes, når atomet danner bindinger. Blandingen kaldes hybridisering, og de nye orbitaler kaldes hybridorbitaler.

Figur 1: Carbonatomets 2s-orbital og tre 2p-orbitaler blandes til fire ens hybridorbitaler.

Fire orbitaler bliver til fire nye. De hedder sp³-orbitaler, fordi de er blandet af én s-orbital og tre p-orbitaler. De har samme energi og samme form, og der er én elektron i hver. Nu kan carbonatomet danne fire ens bindinger.

Hybridisering er en model. Den beskriver orbitalerne på en måde, som passer med det, man måler: bindingernes antal, længde og vinkler.

sp³: et tetraeder

En hybridorbital har en stor lap, der peger væk fra kernen, og en lille lap bagved. De fire sp³-orbitaler frastøder hinanden og peger derfor så langt væk fra hinanden som muligt. Det giver et tetraeder med vinklen 109,5° mellem orbitalerne.

Figur 2: I methan overlapper hver af de fire sp³-orbitaler med 1s-orbitalen fra et hydrogenatom.

I methan overlapper hver sp³-orbital med 1s-orbitalen fra et hydrogenatom. Orbitalerne peger lige mod hinanden, og overlappet ligger på linjen mellem de to kerner. Sådan en binding kaldes en σ-binding. Bogstavet σ er det græske sigma.

Det er grunden til den form, du lærte i afsnit 3.2: methan er et tetraeder, fordi carbonatomet er sp³-hybridiseret. I ethan, CH₃−CH₃, er begge carbonatomer sp³-hybridiserede, og bindingen mellem dem er en σ-binding mellem to sp³-orbitaler.

Alle carbonatomer, der kun har enkeltbindinger, er sp³-hybridiserede.

sp² og sp

Carbonatomet behøver ikke blande alle tre p-orbitaler med. Det giver to andre slags hybridisering.

Figur 3: De tre slags hybridisering af carbonatomet.

Hybridisering	Blandes af	Hybridorbitaler	p-orbitaler tilbage	Vinkel	Form
sp³	2s og tre 2p	4	0	109,5°	tetraeder
sp²	2s og to 2p	3	1	120°	plan trekant
sp	2s og én 2p	2	2	180°	lineær

I et sp²-hybridiseret carbonatom ligger de tre hybridorbitaler i samme plan med 120° imellem. Den p-orbital, der ikke er blandet med, står vinkelret på planen.

I et sp-hybridiseret carbonatom peger de to hybridorbitaler hver sin vej på en ret linje. De to p-orbitaler, der er tilbage, står vinkelret på linjen og på hinanden.

Hybridorbitalerne bruges til σ-bindinger. De p-orbitaler, der er tilbage, bruges til dobbeltbindinger og tripelbindinger. Det handler afsnit A4.3 om.

Sådan finder du hybridiseringen

Du behøver ikke tegne orbitaler for at finde et carbonatoms hybridisering. Tæl de atomer, carbonatomet er bundet til.

Figur 4: Hybridiseringen findes ved at tælle carbonatomets naboer.

Carbonatomet er bundet til	Bindinger	Hybridisering	Vinkel
4 atomer	fire enkeltbindinger	sp³	109,5°
3 atomer	én dobbeltbinding og to enkeltbindinger	sp²	120°
2 atomer	én tripelbinding og én enkeltbinding, eller to dobbeltbindinger	sp	180°

Reglen gælder også, når naboen ikke er carbon. Carbonatomet i en carbonylgruppe, C=O, har tre naboer og er sp²-hybridiseret. Carbonatomerne i en benzenring har tre naboer hver og er også sp²-hybridiserede.

Eksempel: hybridiseringen i ethansyre

Ethansyre har formlen CH₃−COOH. Bestem hybridiseringen af de to carbonatomer, og angiv vinklerne omkring dem.

Carbonatomet i CH₃

Carbonatomet er bundet til tre hydrogenatomer og ét carbonatom. Det er 4 naboer, og alle fire bindinger er enkeltbindinger. Carbonatomet er sp³-hybridiseret, og vinklerne er omkring 109,5°.

Carbonatomet i COOH

Carbonatomet er bundet til ét carbonatom og to oxygenatomer. Det er 3 naboer, og bindingen til det ene oxygenatom er en dobbeltbinding. Carbonatomet er sp²-hybridiseret, og vinklerne er omkring 120°.

Konklusion

Methylgruppen er et lille tetraeder, og carboxylgruppen er plan.

Til den skriftlige prøve

Hybridisering bruges især i opgaver om IR-spektre. Her skal du kunne skrive, om en C−H-binding sidder på et sp³-, sp²- eller sp-hybridiseret carbonatom.
Find hybridiseringen ved at tælle carbonatomets naboer. Husk de hydrogenatomer, der ikke er tegnet i en zigzagformel.
Skriv vinklen sammen med hybridiseringen, hvis opgaven spørger om molekylets form.

Kort sagt

En kovalent binding er to orbitaler, der overlapper og deles om et elektronpar.
Carbonatomets 2s-orbital og 2p-orbitaler blandes til hybridorbitaler, når atomet danner bindinger.
sp³: fire hybridorbitaler i et tetraeder med 109,5° imellem.
sp²: tre hybridorbitaler i en plan med 120° imellem og én p-orbital tilbage.
sp: to hybridorbitaler på en ret linje med 180° imellem og to p-orbitaler tilbage.
Et carbonatom med 4 naboer er sp³, med 3 naboer sp² og med 2 naboer sp.

Se alle opgaver til emnet “Hybridisering” (A4.2)