O wężach i sześciokątach

Pojęcie hybrydy kojarzy się różnie w zależności od tego, kogo pytamy. Dla jednych hybrydą będzie organizm powstały z dwóch różnych, inni niewątpliwie wskażą niektóre typy samochodów, a jeszcze inni stwierdzą, że hybrydy to sobie kobiety robią na paznokciach. I wszyscy będą mieli rację, bo przecież hybrydyzacja polega na połączeniu lub nałożeniu jednego na drugie. Cóż – atomy też lubią robić sobie “hybrydy” i każdy widzi to na własne oczy. Pamiętacie ze szkolnej chemii takie coś, co nazywało się wzorami strukturalnymi? Służą one do zobrazowania wiązań pomiędzy poszczególnymi atomami związku. Nie obrazują one poprawnie struktury samego związku bo pomijają rzeczywiste rozmieszczenie atomów w przestrzeni, która w przeciwieństwie do kartki papieru jest jednak trójwymiarowa. Dzięki takim wzorom można łatwo stwierdzić, do jakiej grupy związków należy dany związek i je rozróżnić. Weźmy takie dwa wzory: C6H5OH i C3H7OH. Obydwa zawierają we wzorze grupę -OH, która jest przyłączona do atomu węgla, ale jeden z nich należy do grupy fenoli, a drugi alkoholi. Nie musicie nawet znać nazw tych związków, aby po rozrysowaniu stwierdzić, który jest który.

Alkohole mają grupę – OH przyłączoną do atomu węgla, a fenole bezpośrednio do pierścienia. Nasuwa się jednak pytanie: dlaczego tak się dzieje? Dlaczego, choć zarówno alkohole, jak i fenole to atomy węgla, wodoru i tlenu, to je rozróżniamy?

Cóż – jeśli w naszym świecie dzieje się coś na pierwszy rzut oka dziwnego, to zazwyczaj stoi za tym mechanika kwantowa i jej proste prawa. Spójrzmy na te rysunki: kreski przecież wyobrażają pary elektronów, które tworzą dane wiązanie. Elektrony? To nam daje pewien trop, wróćmy do tego, co wiemy o tych małych obiektach – a wiemy, że oddziałują z jądrem atomowym za pośrednictwem pola elektromagnetycznego z uwagi na ładunek ujemny i że pozostają względem niego w ciągłym ruchu. Wiemy też, że twierdzenie, że zajmują jakieś konkretne miejsca lub krążą po orbitach, jest nierozsądne z uwagi na dualną naturę materii, która sprawia, że elektron ma jednocześnie właściwości fal i cząstek. Wiemy też dzięki pracom Heisenberga i Schrödingera, że jeśli chcemy szukać elektronu, to są takie obszary, gdzie powinniśmy szukać “bardziej”. Te obszary można określić za pomocą matematyki, o czym więcej tutaj: O Równaniu Schrödingera i o tym, dlaczego atom “nie wygląda”. Orbitale! Czyli matematyczna funkcja falowa, która opisuje prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w przestrzeni. Jest to zatem jakiś obszar, po którym elektron się porusza, ale nie ma on sztywnych ram i nie można go w żaden sposób zobaczyć. Co się dzieje z tymi orbitalami, gdy atomy łączą się, aby uzyskać ów wymarzony, możliwie jak najniższy stan energetyczny?

Przy tworzeniu wiązań dochodzi do wymieszania pierwotnie występujących orbitali w atomie. Otrzymujemy zatem zupełnie nowy kształt zhybrydyzowanych orbitali, stworzony na bazie orbitali elektronów tworzących wiązanie chemiczne. Do określenia typu takiej hybrydyzacji nie potrzeba żadnej szczególnej wiedzy, właściwie to wystarczy wiedzieć, co się łączy i jak wygląda konfiguracja elektronowa tego, co się łączy. Jeśli wiemy, ile orbitali bierze udział w takiej hybrydyzacji, to od razu wiemy, ile powstanie i jaki “kształt” będzie miała cząstka. Tylko skąd to wiemy? Sięgnijmy po coś prostego dla przykładu, np. CH4, gdzie w hybrydyzacji biorą udział cztery orbitale. Skąd to wiem? Ponieważ węgiel tworzy cztery wiązania, a każde z wiązań to osoby orbital. Prawda że proste? Jeśli zapamiętacie, że w uproszczeniu każdy podstawnik i każda wolna para elektronów to osobny orbital, to możecie śmiało mówić, że mniej więcej wiecie o co w tym chodzi. Żeby nie mieszać, skupmy się na najprostszych typach takiej hybrydyzacji.

W przypadku związków berylowców, np. BeH2, lub związków zawierających wiązania podwójne, gdy dwa z nich występują przy jednym atomie, np. CO2, oraz w przypadku wiązań potrójnych, np. C2H2, następuje typ hybrydyzacji określony jako “sp”, co oznacza że biorą w niej udział te orbitale:

które po ponownym przeliczeniu dają nam taki wynik:

Czyli dwie hybrydy orbitali s i p położone naprzeciwko siebie na osi x. Podobnie wygląda to, gdy myślimy o hybrydyzacji sp2, która ma miejsce, gdy atom ma trzy elektrony na ostatniej z powłok, np. w BH3, lub gdy powstają wiązania podwójne, np. SO3, i sp3, która ma miejsce dla czterech elektronów, np. w metanie, tj. CH4. Tak jak pierwszym przypadku minimum nakładania się hybryd miało miejsce, gdy były w jednej linii, tak w kolejnych przypadkach takie minima są osiągane, gdy linie poprowadzone od wierzchołków orbitali utworzą kształt trójkąta lub czworościanu foremnego.

Takie wzajemne układy zhybrydyzowanych orbitali wydają się czymś bardzo abstrakcyjnym, szczególnie gdy mówimy o układach o większej liczbie atomów, ale łatwo je zaobserwować na naszym poziomie rzeczywistości. Weźmy taki grafit, czyli węgiel, dużo atomów węgla, tworzących między sobą wiązania i sieć krystaliczną. Jest tam dużo elektronów, które są w tej sieci zdelokalizowane. Można sobie to łatwo wyobrazić jako sieć, której włókna są oblepione gazem składającym się z elektronów. To teraz przypomnijcie sobie, jak wyglądają wiązania w metalach. Można je opisać dokładnie tak samo, co sprawia, że niektóre z właściwości grafitu i metali są podobne. Niedowiarki mogą spróbować włożyć do kontaktu gwóźdź, a następnie grafit celem potwierdzenia, że obydwa materiały przewodzą prąd. Oczywiście proszę tego nie robić, bo wielu już sprawdzało, a efekty uboczne takich doświadczeń zazwyczaj wymagały pomocy służb medycznych.

To teraz weźmy do ręki marchewkę. Marchew jest czerwona względnie pomarańczowo-czerwona, bo zawiera β-karoten, czyli po chemicznemu związek organiczny o wzorze C40H56. Struktura związku zaś przypomina takiego fajnego węża:

Elektrony w części zaznaczonej na czerwono można uważać za swobodne, tworzące gaz elektronowy; dla każdego z tych elektronów można obliczyć energię potrzebną do jego wzbudzenia. Wzbudzanie elektronów polega oczywiście na dostarczeniu im energii, a można to zrobić np. oświetlając je światłem czyli strumieniem fotonów, które zostaną zaabsorbowane. Nie bawiąc się w matematykę, powiem wam, że maksima takiej absorbcji w przypadku karotenu dotyczą fal o długościach 451 i 477 nm co sprawia, upraszczając, że marchew zawierająca karoten nie może być niebieska ani bardzo zielona, więc zostają jedynie kombinacje barw czerwonej i lekkich odcieni zieleni.

Jak widać, choć mechanika kwantowa jest dziwna, to natrafiamy na nią, gdziekolwiek rzucić okiem.

c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.