Étudier la variété des composés organiques - Session 3

Comme nous le savons, une molécule de méthane est composée de quatre atomes d’hydrogène et d’un atome de carbone. La forme de la molécule de méthane est tétraédrique. De la même manière, la molécule d’eau a une forme tétraédrique. La molécule d'eau est composée d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène. Vous êtes-vous déjà demandé comment différents atomes se réunissent pour former ces composés uniques ? Ou comment la forme des molécules est déterminée ? Eh bien, la réponse réside dans le concept d’hybridation.

Les atomes ont différents types d'orbitales, tels que les orbitales s et p, qui diffèrent par leurs formes et leurs énergies. Par exemple, l’orbitale s a une forme sphérique et une énergie plus faible. L'orbitale P a une forme d'haltère et une énergie plus élevée. Lorsque nous observons une molécule comme le méthane, nous constatons que les longueurs de liaison entre les atomes de carbone et d’hydrogène sont presque les mêmes. Cette observation semble déroutante car les orbitales atomiques individuelles du carbone et de l’hydrogène ont des formes et des énergies différentes. Comment est-il possible qu’ils forment des liaisons avec des longueurs de liaison presque égales ? Cela est dû à l’hybridation.

L'hybridation implique le mélange de différents types d'orbitales atomiques ayant des formes et des énergies différentes pour créer de nouvelles orbitales hybrides. Ces orbitales hybrides ont les mêmes formes et énergies. Nous discuterons de trois types d’hybridations. Ce sont sp³hybridation, sp2hybridation et sphybridation. Dans sp³hybridation, une orbitale s et trois orbitales p se combinent pour créer quatre orbitales identiques sp³orbitales hybrides. Ces orbitales hybrides ont la même forme et la même énergie.

Dans le méthane, l’atome de carbone subit sp³hybridation. L'atome de carbone du méthane a une configuration électronique de 1s² 2s² 2p². Dans son état fondamental, il possède deux électrons dans l'orbitale s. Deux électrons sont dans l'orbitale s. Deux électrons sont présents dans deux des trois orbitales p. Pour obtenir une configuration stable, l'un des deux électrons s est promu ou excité vers l'orbitale deux p vide. Cette promotion donne à l'atome de carbone une configuration électronique de 1s² 2s¹ 2p³.

L'atome de carbone subit ensuite sp³hybridation. Les deux orbitales s et les trois orbitales p se mélangent ou s'hybrident pour former quatre nouvelles orbitales hybrides appelées sp³orbitales. En conséquence de sp³hybridation, l'atome de carbone a maintenant quatre atomes identiques sp³orbitales hybrides.

Les quatre sp³les orbitales hybrides s'organisent selon une géométrie tétraédrique autour de l'atome de carbone. L'angle est d'environ un zéro neuf virgule cinq degrés entre chaque orbitale. Cette disposition assure une séparation maximale des paires d’électrons et minimise la répulsion entre elles. Chacun des quatre sp³les orbitales hybrides chevauchent une orbitale s d'un atome d'hydrogène, formant quatre liaisons sigma. Ces liaisons sigma sont formées par le chevauchement des orbitales atomiques le long de l'axe internucléaire. La densité électronique est concentrée entre les atomes.

Dans sp²hybridation, une orbitale s et deux orbitales p se combinent pour créer trois orbitales identiques sp²orbitales hybrides. La troisième orbitale p reste non hybridée. Dans l'éthène, l'atome de carbone subit sp²hybridation. Initialement, l'atome de carbone a une configuration électronique de 1s²2s² 2p². Similaire à sp³hybridation, l'un des deux électrons s est promu ou excité vers l'orbitale p vide. Il en résulte une configuration électronique de 1s²2s¹2p³.

Dans sp2hybridation dans l'éthène, les deux orbitales s et deux des deux orbitales p de l'atome de carbone se mélangent ou s'hybrident pour former trois nouvelles orbitales hybrides appelées sp2orbitales. La troisième orbitale p restante 2pzreste non hybridé. Elle est perpendiculaire au plan formé par la sp2orbitales.

Les trois sp²les orbitales hybrides s'organisent selon une géométrie plane trigonale autour de l'atome de carbone. Elles sont orientées dans le même plan, avec un angle d'environ cent vingt degrés entre chaque orbitale. Cette disposition assure une séparation maximale des paires d’électrons et minimise la répulsion entre elles.

Dans la molécule d'éthène, un sp²l'orbitale hybride d'un atome de carbone se chevauche avec sp²orbitale hybride d'un autre atome de carbone. Ce chevauchement s'opère de manière frontale. Cela entraîne la formation d’une liaison sigma entre deux atomes de carbone. Les deux autres sp²l'orbitale hybride chevauche l'orbitale s d'un atome d'hydrogène.

Parlons du non-hybridé 2pzorbitale de l'atome de carbone, qui est perpendiculaire au plan de la sp²orbitales. Ils subissent un chevauchement latéral avec une orbitale non hybridée correspondante d'un autre atome de carbone. Ce chevauchement latéral entraîne la formation d'une liaison pi. La liaison pi se forme au-dessus et au-dessous du plan de la molécule, créant une double liaison. Dans une liaison pi, la densité électronique est concentrée au-dessus et au-dessous de l'axe internucléaire formé par la liaison sigma.

Dans l’hybridation sp, nous nous concentrons sur l’atome de carbone comme exemple. Initialement, l'atome de carbone a une configuration électronique de 1s²2s²2p², avec deux électrons dans l'orbitale s et deux électrons dans l'orbitale s. L'un des deux électrons s est promu ou excité vers l'orbitale p vide. Il en résulte une configuration électronique de 1s²2s12p3.

Lors de l'hybridation sp, une des deux orbitales s et une des deux orbitales p se mélangent ou s'hybrident pour former deux nouvelles orbitales hybrides appelées orbitales sp. À la suite de l’hybridation sp, l’atome de carbone possède désormais deux orbitales hybrides sp identiques. Les deux orbitales hybrides sp s'organisent selon une géométrie linéaire autour de l'atome de carbone. L'angle entre eux est de 180 degrés. Les deux orbitales p non hybridées restantes de l’atome de carbone restent inchangées. Ils sont perpendiculaires au plan formé par les orbitales hybrides sp. Ces orbitales p non hybridées conservent leur forme et leur énergie d’origine.

Dans l'éthyne, une orbitale hybride sp de chaque atome de carbone chevauche une orbitale s d'un atome d'hydrogène pour former une liaison sigma. La deuxième orbitale hybride sp chevauche l'orbitale hybride sp de l'autre atome de carbone de l'éthyne pour former une liaison sigma. Les deux orbitales p non hybridées de l'atome de carbone subissent un chevauchement latéral avec les orbitales p non hybridées correspondantes de l'atome de carbone adjacent. Ce chevauchement latéral entraîne la formation de liaisons pi.

Pour déterminer rapidement l’hybridation d’un atome dans une molécule, comptez le nombre d’atomes attachés à l’atome. Identifiez ensuite toutes les paires non liants qu’il possède. Additionnez ces valeurs ensemble. Si la somme est quatre, l'hybridation est sp³. Si la somme est trois, l'hybridation est sp². Si la somme est deux, l'hybridation est sp. Par exemple, dans l’ammoniac, trois atomes d’hydrogène sont liés à un atome d’azote. L'azote possède une seule paire d'électrons. Cela fait un total de quatre. Donc l'hybridation de l'atome d'azote dans l'ammoniac est sp³.