1.10 : תיאוריית ערכיות הקשר ואורביטלים מוכלאים

על פי תיאוריית ערכיות הקשר, קשר קוולנטי נוצר כאשר: (1) אורביטל באטום אחד חופף לאורביטל באטום שני, ו-(2) האלקטרונים הבודדים בכל אורביטל מתאחדים ויוצרים זוג אלקטרונים. החוזק של קשר קוולנטי תלוי במידת החפיפה של האורביטלים המעורבים. חפיפה מרבית אפשרית כאשר האורביטלים חופפים על קו ישיר בין שני הגרעינים.

קשר σ (קשר יחיד במבנה לואיס) הוא קשר קוולנטי שבו צפיפות האלקטרונים מרוכזת באזור שלאורך הציר הבין-גרעיני. קשר π הוא קשר קוולנטי הנובע מחפיפה זה לצד זה של שני אורביטלים p. בקשר π, אזורי החפיפה האורביטלית נמצאים בצדדים מנוגדים של הציר הבין-גרעיני, בעוד שיש node (מישור ללא הסתברות למצוא אלקטרון) לאורך הציר. כל הקשרים הבודדים הם קשרי σ, ואילו קשרים מרובים מורכבים מקשרים σ ו-π כאחד.

כאשר אטומים קשורים זה לזה במולקולה, פונקציות הגל של אורביטלים אטומיים יכולים להשתלב כדי לייצר תיאורים מתמטיים חדשים בעלי צורות שונות. תהליך זה נקרא הכלאה והוא מושג מתמטית על ידי שילוב ליניארי של אורביטלים אטומיים. האורביטלים החדשים שנוצרו נקראים אורביטלים מוכלאים.

הצורות והכיוון של אורביטלים מוכלאים, שנוצרים רק באטומים הקשורים קוולנטית, שונים מאלה של אורביטלים אטומיים באטומים מבודדים. מספר האורביטלים המוכלאים שווה למספר האורביטלים האטומיים ששולבו כדי ליצור אותם. כל האורביטלים בקבוצה של אורביטלים מוכלאים שווים בצורתם ובאנרגיה, והכיוון שלהם נחזה על ידי תיאוריית VSEPR. אורביטלים מוכלאים חופפים ליצירת קשרי σ, בעוד אורביטלים לא כלואים חופפים ליצירת קשרי π.

לדוגמה, במצב המעורר של פחמן, האורביטלים אחד 2s ושלושה 2p עוברים הכלאה ומניבים ארבעה אורביטלים מוכלאים מנוונים sp ³ המסודרים טטרהדרלית. במולקולת מתאן, אורביטל ה-1s של כל אחד מארבעת אטומי המימן חופף לאחד מארבעת האורביטלים sp ³ של אטום הפחמן ליצירת קשר סיגמא (σ).

באופן דומה, הערבוב של אחד 2s ושני אורביטלים 2p של פחמן יוצר שלושה אורביטלים מוכלאים sp ² שווי ערך עם גיאומטריה מישורית משולשת, בעוד שהכלאה של אחד 2s ואחד מאורביטלים 2p יוצרת שני אורביטלים sp המסודרים ב-180° זה לזה.

עבור אטומים שיש להם אורביטלים d בתת-קליפת הערכיות שלהם, הכלאה של חמישה אורביטלים אטומיים של קליפת ערכיות (אחד s, שלושה p ואחד מהאורביטלים d) נותן חמישה אורביטלים מוכלאים sp ³ d עם גיאומטריה דו-פירמידלית משולשת. סידור אוקטהדרלי של שישה אורביטלים מוכלאים מתקבל על ידי ערבוב של שישה אורביטלים אטומיים של קליפת ערכיות (אחד s, שלושה p ושניים מהאורביטלים d), אשר מניב שישה אורביטלים מוכלאים sp ³ d ² .

הטקסט הזה מותאם מOpenstax, Chemistry 2e, Section 8.1 Valence Bond Theory and Section 8.2 Hybrid Atomic Orbitals.