Hibridizarese numește un proces de amestecare ipotetic de diferite tipuri, dar strâns în energie, orbitali ai unui atom dat cu aspectul aceluiași număr de noi (hibrid 1) orbitali, identici ca energie și formă.
Hibridizarea orbitalilor atomici are loc în timpul formării legăturilor covalente.
Orbitalele hibride au forma unei cifre asimetrice tridimensionale opt, puternic alungite pe o parte de nucleul atomic :.
Această formă determină o suprapunere mai puternică, decât în cazul orbitalilor atomici puri, a orbitalilor hibrizi cu orbitalii (puri sau hibrizi) ai altor atomi și duce la formarea de legături covalente mai puternice. Prin urmare, energia cheltuită pentru hibridizarea orbitalilor atomici este mai mult decât compensată prin eliberarea de energie datorită formării de legături covalente mai puternice cu participarea orbitalilor hibrizi. Numele orbitalilor hibrizi și tipul de hibridizare sunt determinate de numărul și tipul orbitalilor atomici implicați în hibridizare, de exemplu: sp-, sp 2 -, sp 3 -, sp 2 d- sausp 3 d 2 -hibridizare.
Direcționalitatea orbitalilor hibrizi și, în consecință, geometria moleculei depind de tipul de hibridizare. În practică, problema inversă este de obicei rezolvată: mai întâi, geometria moleculei este stabilită experimental, după care sunt descrise tipul și forma orbitalilor hibriți implicați în formarea ei.
sp -Hibridizare. Două hibrid sp- ca urmare a respingerii reciproce, orbitalele sunt situate în raport cu nucleul atomic în așa fel încât unghiul dintre ele să fie de 180 ° (Fig. 7).
Orez. 7. Aranjament reciproc în spațiul a două sp- orbitali hibrizi ai unui atom: A - suprafețe care acoperă zone ale spațiului în care probabilitatea ca un electron să fie prezent este de 90%; b - imagine condiționată.
Ca rezultat al acestui aranjament al orbitalilor hibrizi, moleculele din compoziția AX 2, unde A este atomul central, au structură liniară, adică legăturile covalente ale tuturor celor trei atomi sunt situate pe o singură linie dreaptă. De exemplu, într-un stat sp- hibridizarea sunt orbitalii de valență ai atomului de beriliu din molecula BeCl 2 (Fig. 8). Configurație liniară datorită sp- Hibridizările orbitelor de valență ale atomilor sunt observate și în BeH 2, Be (CH 3) 2, ZnCl 2, CO 2, HC≡N și în alți alții.
Orez. 8. Moleculă liniară cu trei atomi de clorură de beriliu BeCl 2 (în stare gazoasă): 1 - 3R- Orbitalul atomului Cl; 2 - Două sp- orbitali hibrizi ai atomului Be.
s R 2 -Hibridizare. Luați în considerare hibridizarea unuia s- si doi R- orbitali. În acest caz, ca rezultat al unei combinații liniare de trei orbitali, trei hibrizi sR 2 -orbital. Acestea sunt situate în același plan la un unghi de 120 ° unul față de celălalt (Fig. 9). sR 2 -Hibridizarea este caracteristică multor compuși de bor, care, așa cum se arată mai sus, într-o stare excitată are trei electroni nepereche: unul s- si doi R-electron. Suprapunere sR 2 -orbitalii atomului de bor cu orbitalii altor atomi, se formează trei legături covalente, echivalente în lungime și energie. Molecule în care orbitalele de valență ale atomului central sunt în stare sR 2 -hibridizare, au o configurație triunghiulară. Unghiurile dintre legăturile covalente sunt de 120 °. Capabil de sR 2 -hibridizarea sunt orbitalii de valență ai atomilor de bor din moleculele BF 3, BC1 3, atomii de carbon și azot din anionii CO 3 2 -, NO 3 -.
Orez. 9. Aranjament reciproc în spațiu de trei sR 2 -orbitali hibrizi.
s R 3 -Hibridizare. Substanțele sunt foarte răspândite în moleculele cărora atomul central conține patru sR 3 -orbitali formați ca urmare a unei combinații liniare a unuia s- și trei R-orbitali. Acești orbitali sunt situați la un unghi de 109˚28 ′ între ei și direcționați către vârfurile tetraedrului, în centrul căruia există un nucleu atomic (Fig. 10 a).
Formarea a patru legături covalente echivalente datorită suprapunerii sR 3 -orbitalii cu orbitali ai altor atomi este caracteristică atomilor de carbon și a altor elemente din grupul IVA; aceasta determină structura tetraedrică a moleculelor (CH 4, CC1 4, SiH 4, SiF 4, GeH 4, GeBr 4 etc.).
Orez. 10. Influența perechilor de electroni fără legătură asupra geometriei moleculelor:
A- metan (fără perechi de electroni care nu se leagă);
b- amoniac (o pereche de electroni fără legătură);
v- apă (două perechi care nu se leagă).
Perechi de electroni singuri orbită hibridă lei . În toate exemplele luate în considerare, orbitalele hibride au fost „populate” de electroni unici. Cu toate acestea, nu este neobișnuit ca un orbital hibrid să fie „populat” de o pereche de electroni. Acest lucru afectează geometria moleculelor. Întrucât perechea de electroni fără legătură este influențată de nucleul doar al atomului său, iar perechea de electroni care se leagă se află sub influența a doi nuclei atomici, perechea de electroni fără legătură este mai aproape de nucleul atomic decât cel de legătură. Ca rezultat, perechea de electroni care nu se leagă respinge perechile de electroni care se leagă mai puternic decât se resping reciproc. Grafic, pentru claritate, forța mare de respingere care acționează între perechile de electroni care nu se leagă și care se leagă poate fi descrisă ca un orbital de electroni mai mare al perechii care nu se leagă. Există o pereche de electroni fără legare, de exemplu, la atomul de azot din molecula de amoniac (Fig. 10 b). Ca urmare a interacțiunii cu perechi de electroni care leagă, unghiurile de legătură H-N-H sunt reduse la 107,78 ° comparativ cu 109,5 ° tipice pentru un tetraedru obișnuit.
O respingere și mai mare este experimentată prin legarea perechilor de electroni într-o moleculă de apă, unde atomul de oxigen are două perechi de electroni care nu leagă. Ca urmare, unghiul de legătură H-O-H din molecula de apă este de 104,5 ° (Fig. 10 v).
Dacă o pereche de electroni fără legătură, ca rezultat al formării unei legături covalente de către mecanismul donor-acceptor, se transformă într-una legătoare, atunci forțele de respingere dintre această legătură și alte legături covalente din moleculă se egalizează; unghiurile dintre aceste legături sunt, de asemenea, aliniate. Acest lucru se întâmplă, de exemplu, cu formarea unui cation de amoniu:
Participarea la hibridizare d -orbitali. Dacă energia atomică d- orbitalii nu sunt foarte diferiți de energii s- și R- orbitali, atunci ei pot participa la hibridizare. Cel mai comun tip de hibridizare care implică d- orbitali este sR 3 d 2 - hibridizare, în urma căreia se formează șase orbitale hibride de formă și energie egale (Fig. 11 A), situat la un unghi de 90˚ între ele și direcționat către vârfurile octaedrului, în centrul căruia există un nucleu atomic. Octahedron (Fig. 11 b) – este un octaedru regulat: toate muchiile din el sunt de lungime egală, toate fețele sunt triunghiuri regulate.
Orez. unsprezece. sR 3 d 2 - Hibridizare
Mai putin comun sR 3 d- hibridizare cu formarea a cinci orbitali hibrizi (Fig. 12 A) direcționate către vârfurile bipiramidei trigonale (Fig. 12 b). O bipiramidă trigonală se formează prin unirea a două piramide isoscele cu o bază comună - un triunghi regulat. Linii îndrăznețe în Fig. 12 b sunt prezentate muchiile de lungime egală. Geometric și energetic sR 3 d- orbitalele hibride sunt inegale: trei orbitale „ecuatoriale” sunt direcționate către vârfurile unui triunghi regulat și două „axiale” - în sus și în jos perpendiculare pe planul acestui triunghi (Fig. 12 v). Unghiurile dintre orbitalele „ecuatoriale” sunt egale cu 120 °, ca în sR 2 - hibridizare. Unghiul dintre „axial” și oricare dintre orbitalele „ecuatoriale” este de 90 °. În consecință, legăturile covalente care se formează cu participarea orbitalilor „ecuatoriali” diferă în lungime și energie de legăturile în formarea cărora sunt implicați orbitalii „axiali”. De exemplu, în molecula PC1 5, legăturile „axiale” au o lungime de 214 pm, iar cele „ecuatoriale” au o lungime de 202 pm.
Orez. 12. sR 3 d- Hibridizare
Astfel, având în vedere legăturile covalente ca urmare a suprapunerii orbitalelor atomice, se poate explica geometria moleculelor și ionilor rezultați, care depinde de numărul și tipul orbitalilor atomici implicați în formarea legăturilor. Conceptul de hibridizare a orbitalilor atomici, este necesar să înțelegem că hibridizarea este o tehnică condițională care vă permite să explicați vizual geometria unei molecule printr-o combinație de AO.
O moleculă poliatomică cu aspect de orbitali identici, echivalenți în caracteristicile lor.
Colegiat YouTube
1 / 3
Hibridizarea orbitalilor de electroni
Citologie. Curs 46. Hibridizare orbitală
Orbitali hibrizi Sp3
Subtitrări
Conceptul de hibridizare
Conceptul de hibridizare a orbitalilor atomici de valență a fost propus de chimistul american Linus Pauling pentru a răspunde la întrebarea de ce, atunci când atomul central are orbitali de valență diferiți (s, p, d), legăturile formate de acesta în molecule poliatomice cu aceiași liganzi sunt echivalente în energia și caracteristicile lor spațiale .
Conceptul de hibridizare este esențial pentru metoda legăturii de valență. Hibridizarea în sine nu este un proces fizic real, ci doar un model convenabil care face posibilă explicarea structurii electronice a moleculelor, în special a modificărilor ipotetice ale orbitalilor atomici în timpul formării unei legături chimice covalente, în special a alinierii chimice lungimile de legătură și unghiurile de legătură într-o moleculă.
Conceptul de hibridizare a fost aplicat cu succes la descrierea calitativă a moleculelor simple, dar ulterior a fost extins la altele mai complexe. Spre deosebire de teoria orbitalilor moleculari, aceasta nu este strict cantitativă, de exemplu, este incapabilă să prezică spectrele fotoelectronice ale unor molecule atât de simple precum apa. În prezent este utilizat în principal în scopuri metodologice și în chimia organică sintetică.
Acest principiu se reflectă în teoria repulsiei perechilor de electroni Gillespie - Nyholm, prima și cea mai importantă regulă, care a fost formulată după cum urmează:
„Perechile de electroni iau un astfel de aranjament pe învelișul de valență al atomului, la care sunt la distanță maximă unul de celălalt, adică perechile de electroni se comportă ca și cum s-ar respinge reciproc”.A doua regulă era aceea „Toate perechile de electroni incluse în învelișul de electroni de valență sunt considerate a fi situate la aceeași distanță de nucleu”.
Tipuri de hibridizare
sp-hibridizare
Apare atunci când un orbital s și unul orbital sunt amestecați. Se formează doi orbitați sp-atomici echivalenți, localizați liniar la un unghi de 180 de grade și direcționați în direcții diferite de nucleul atomului central. Cei doi orbitali p ne-hibrizi rămași sunt localizați în planuri perpendiculare reciproc și participă la formarea legăturilor π sau sunt ocupați de perechi de electroni nepartajate.
sp 2 -Hibridizare
Apare atunci când unul s și doi orbitali p sunt amestecați. Trei orbitali hibrizi sunt formați cu axe situate în același plan și direcționate către vârfurile triunghiului la un unghi de 120 de grade. Orbitalul p-atomic nehibrid este perpendicular pe plan și, de regulă, participă la formarea legăturilor π
sp 3 -Hibridizare
Apare atunci când se amestecă un orbital s și trei orbitali p, formând patru orbali hibrizi sp 3-echivalenți ca formă și energie. Ele pot forma patru legături σ cu alți atomi sau pot fi umplute cu perechi izolate de electroni.
Axele orbitalilor hibridi sp 3 sunt direcționate către vârfurile tetraedrului, în timp ce nucleul atomului central este situat în centrul sferei descrise a acestui tetraedru. Unghiul dintre oricare două axe este de aproximativ 109 ° 28 ", ceea ce corespunde celei mai mici energii de respingere a electronilor. De asemenea, orbitalele sp 3 pot forma patru legături σ cu alți atomi sau pot fi umplute cu perechi izolate de electroni. Această stare este tipică pentru atomi de carbon în hidrocarburi saturate și, în consecință, în radicalii alchil și derivații acestora.
Hibridizare și geometrie moleculară
Conceptul de hibridizare a orbitalilor atomici stă la baza teoriei repulsiei perechilor de electroni Gillespie-Nyholm. Fiecare tip de hibridizare corespunde unei orientări spațiale strict definite a orbitalilor hibrizi ai atomului central, care permite utilizarea acestuia ca bază pentru concepte stereochimice în chimia anorganică.
Tabelul prezintă exemple de corespondență între cele mai comune tipuri de hibridizare și structura geometrică a moleculelor, presupunând că toți orbitalii hibrizi sunt implicați în formarea legăturilor chimice (nu există perechi de electroni singulari).
| Tipul de hibridizare | Număr orbitali hibrizi |
Geometrie | Structura | Exemple de |
|---|---|---|---|---|
| sp | 2 | Liniar |
BeF 2, CO 2, NO 2 + |
|
| sp 2 | 3 | Triunghiular |
|
BF 3, NO 3 -, CO 3 2- |
| sp 3 | 4 | Tetraedric |
|
CH4, ClO4-, SO4 2-, NH4 + |
| dsp 2 | 4 | Pătrat |
Sarcina 261.
Ce tipuri de hibridizare a AO-urilor de carbon corespund formării moleculelor de CH 4, C 2 H 6, C 2 H 4, C 2 H 2?
Soluţie:
a) În moleculele de CH 4 și C2H6 Stratul de electroni de valență al unui atom de carbon conține patru perechi de electroni:
Prin urmare, norii de electroni ai atomului de carbon din moleculele CH 4, C 2 H 6 vor fi maxim distanți unul de celălalt în timpul hibridizării sp3, când axele lor sunt direcționate către vârfurile tetraedrului. În acest caz, în molecula CH4, toate vârfurile tetraedrului vor fi ocupate de atomi de hidrogen, astfel încât molecula CH4 are o configurație tetraedrică cu un atom de carbon în centrul tetraedrului. În molecula C 2 H 6, atomii de hidrogen ocupă trei vârfuri ale tetraedrului, iar un nor comun de electroni al unui alt atom de carbon este direcționat către al patrulea vârf, adică doi atomi de carbon sunt legați între ei. Acest lucru poate fi reprezentat prin diagrame:
b) În molecula C 2 H 4, stratul electronic de valență al atomului de carbon, ca și în moleculele CH 4, C 2 H 6. conține patru perechi de electroni:
În timpul formării C2H4, se formează trei legături covalente conform mecanismului obișnuit, adică sunt - linkuri și unul - - link. Când se formează o moleculă de C 2 H 4, fiecare atom de carbon are doi atomi de hidrogen - legături și între ele două legături, una - și una - legături. Norii hibrizi care corespund acestui tip de hibridizare sunt localizați în atomul de carbon, astfel încât interacțiunea dintre electroni este minimă, adică cât mai îndepărtat posibil. Această dispunere a atomilor de carbon (două legături duble între atomii de carbon) este caracteristică hibridizării sp 2 a AO-urilor de carbon. În timpul hibridizării sp 2, norii de electroni din atomii de carbon sunt orientați în direcții situate în același plan și formând unghiuri de 120 0 între ele, adică în direcțiile către vârfurile triunghiului regulat. În molecula de etilenă, trei orbitali sp 2-hibrizi ai fiecărui atom de carbon participă la formarea legăturilor, două între doi atomi de hidrogen și unul cu cel de-al doilea atom de carbon și - legătura se formează datorită norilor p-electroni ai fiecare atom de carbon. Formula structurală a moleculei de C 2 H 4 va fi:
c) În molecula C 2 H 2, stratul electronic de valență al atomului de carbon conține patru perechi de electroni:
Formula structurală C 2 N 2 are forma:
Fiecare atom de carbon este legat de o pereche de electroni la un atom de hidrogen și de trei perechi de electroni la un alt atom de carbon. Astfel, în molecula de acetilenă, atomii de carbon sunt conectați între ei printr-o legătură β și două legături β. Cu hidrogenul, fiecare atom de carbon este conectat printr-o legătură. Formarea - legăturilor implică două AO-uri hibrid sp, care sunt situate unul față de celălalt, astfel încât interacțiunea dintre ele este minimă, adică cât mai îndepărtat posibil. Prin urmare, în timpul hibridizării sp, norii de electroni dintre atomii de carbon sunt orientați în direcții opuse unul față de celălalt, adică unghiul dintre legăturile C-C este de 180 0. Prin urmare, molecula C 2 H 2 are o structură liniară:
Problema 262.
Indicați tipul de hibridizare a AO-urilor de siliciu în moleculele de SiH 4 și SiF 4. Sunt aceste molecule polare?
Soluţie:
În moleculele de SiH 4 și SiF 4, stratul de electroni de valență conține patru perechi de electroni:
Prin urmare, în ambele cazuri, norii de electroni ai atomului de siliciu vor fi maxim distanți unul de celălalt în timpul hibridizării sp 3, când axele lor sunt direcționate către vârfurile tetraedrului. În acest caz, în molecula SiH 4, toate vârfurile tetraedrului sunt ocupate de atomi de hidrogen, iar în molecula SiF 4, de atomi de fluor, astfel încât aceste molecule au o configurație tetraedrică cu un atom de siliciu în centrul tetraedru:
În moleculele tetraedrice SiH 4 și SiF 4, momentele dipolice ale legăturilor Si-H și Si-F se compensează reciproc, astfel încât momentele totale dipolare ale ambelor molecule vor fi zero. Aceste molecule nu sunt polare, în ciuda polarității legăturilor Si-H și Si-F.
Sarcina 263.
În moleculele SO2 și SO3, atomul de sulf se află în starea de hibridare sp2. Sunt aceste molecule polare? Care este structura lor spațială?
Soluţie:
În timpul hibridizării sp 2, norii hibrizi sunt localizați în atomul de sulf în direcții situate în același plan și formând unghiuri de 120 0 între ele, adică îndreptate către vârfurile unui triunghi regulat.
a) În molecula SO 2, doi AO sp 2-hibrizi formează o legătură cu doi atomi de oxigen, al treilea orbital sp 2-hibrid va fi ocupat de o pereche de electroni liberi. Această pereche de electroni va deplasa planul de electroni și molecula SO 2 va lua forma unui triunghi neregulat, adică unghiul OSO nu va fi 120 0. Prin urmare, molecula SO2 va avea o formă unghiulară în cazul sp 2 -hibridizarea orbitalilor atomului, structura:
În molecula SO2, nu are loc compensarea reciprocă a momentelor dipolare ale legăturilor S-O; momentul dipol al unei astfel de molecule va avea o valoare mai mare decât zero, adică molecula este polară.
b) În molecula unghiulară de SO 3, toți cei trei AO sp2-hibrizi formează o legătură cu trei atomi de oxigen. Molecula SO 3 va avea forma unui triunghi plat cu sp 2 -hibridizarea atomului de sulf:
Într-o moleculă triunghiulară de SO 3, momentele dipolare ale legăturilor S-O se compensează reciproc, astfel încât momentul dipolar total va fi zero, molecula fiind polară.
Problema 264.
Când SiF4 interacționează cu HF, se formează un acid puternic H 2 SiF 6, care se disociază în ioni H + și SiF 6 2-. Poate reacția dintre CF 4 și HF să se desfășoare în mod similar? Indicați tipul de hibridizare a siliciului AO în ionul SiF 6 2-.
Soluţie:
a) La excitație, un atom de siliciu trece de la starea 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 la starea 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 4 3d 0, iar structura electronică a orbitalilor de valență corespunde schemei :
Patru electroni neperecheați ai unui atom de siliciu excitat pot participa la formarea a patru legături covalente conform mecanismului obișnuit cu atomi de fluor (1s 2 2s 2 2p 5), fiecare având câte un electron nepereche pentru a forma molecula SiF 4.
Când SiF4 interacționează cu HF, se formează acidul H2 SiF6. Acest lucru este posibil, deoarece molecula SiF 4 conține orbitali 3d liberi, iar ionul F- (1s 2 2s 2 2p 6) conține perechi libere de electroni. Legătura se realizează conform mecanismului donor-acceptor datorită perechii de electroni a fiecăruia dintre cei doi ioni F - (HF ↔ H + + F -) și orbitalii 3d liberi ai moleculei de SiF 4. În acest caz, se formează ionul SiF 6 2- care cu ionii H + formează o moleculă acidă H 2 SiF 6.
b) Carbonul (1s 2 2s 2 2p 2) poate forma, precum siliciu, compusul CF 4, în timp ce capacitățile de valență ale atomului de carbon vor fi epuizate (nu există electroni neperecheați, perechi de electroni liberi și orbitați de valență liberi la valență nivel). Diagrama de structură a orbitalilor de valență a unui atom de carbon excitat este după cum urmează:
Când se formează CF 4, toți orbitalii de valență ai carbonului sunt ocupați, deci ionul nu poate fi format.
În molecula SiF 4, stratul de electroni de valență al atomului de siliciu conține patru perechi de electroni:
Același lucru este observat și pentru molecula CF 4. prin urmare, în ambele cazuri, norii de electroni ai atomilor de siliciu și carbon vor fi la distanță maximă unul de celălalt în timpul hibridizării sp3. Când axele lor sunt direcționate spre vârfurile tetraedrului:
Metoda de hibridizare a orbitalilor atomici se bazează pe presupunerea că atunci când se formează o moleculă, în locul norilor atomici și -electronici originali, se formează nori echivalenți „amestecați” sau hibrizi de electroni, care se extind spre atomii vecini, datorită care se suprapune mai complet cu norii de electroni ai acestor atomi. O astfel de deformare a norilor de electroni necesită consum de energie. Dar o suprapunere mai completă a norilor de electroni de valență duce la formarea unei legături chimice mai puternice și, în consecință, la un câștig suplimentar de energie. Dacă acest câștig de energie este suficient pentru a compensa mai mult decât consumul de energie pentru deformarea norilor atomici electronici inițiali, o astfel de hibridizare duce în cele din urmă la o scădere a energiei potențiale a moleculei formate și, în consecință, la o creștere a stabilității acesteia. .
Să luăm în considerare formarea unei molecule de fluorură de beriliu ca un exemplu de hibridizare. Fiecare atom de fluor din această moleculă are un electron nepereche,
care este implicată în formarea unei legături covalente. Atomul de beriliu în stare neexcitată de electroni nepereche nu are:
Prin urmare, pentru a participa la formarea legăturilor chimice, atomul de beriliu trebuie să treacă într-o stare excitată:
Atomul excitat rezultat are doi electroni nepereche: norul de electroni al unuia dintre ei corespunde stării, celălalt -. Când acești nori de electroni se suprapun cu nori de electroni p ai doi atomi de fluor, se pot forma legături covalente (Fig. 38).
Cu toate acestea, după cum sa menționat deja, când se consumă o anumită energie, în locul orbitalelor s- și p originale ale atomului de beriliu, se pot forma doi orbitați hibrizi echivalenți (-orbitali). Forma și locația acestor orbitali este prezentată în Fig. 39, care arată că α-orbitalii hibrizi sunt extinși în direcții opuse.
Suprapunerea norilor hibrid β-electronici ai atomului de beriliu cu nori electronilor p ai atomilor de fluor este prezentată în Fig. 40.
Orez. 38. Schema de suprapunere a -norilor electronici de atomi de fluor cu și -nori electronici ai atomului de beriliu (pentru fiecare legătură separat). Zonele suprapuse ale norilor de electroni sunt umbrite.
Orez. 39. Forma (reprezentare schematică) și dispunerea reciprocă a norilor hibrid -electronici ai atomului de beriliu (pentru fiecare orbital hibrid separat).
Orez. 40. Diagrama formării legăturilor chimice într-o moleculă. Din motive de simplitate, norii hibrizi ai electronilor β ai atomului de beriliu nu sunt pe deplin descriși.
Datorită formei alungite a orbitalilor hibrizi, se realizează o suprapunere mai completă a norilor de electroni care interacționează, ceea ce înseamnă că se formează legături chimice mai puternice. Energia eliberată în timpul formării acestor legături este mai mare decât consumul total de energie pentru excitarea atomului de beriliu și hibridizarea orbitalilor săi atomici. Prin urmare, procesul de formare a moleculelor este favorabil din punct de vedere energetic.
Cazul considerat de hibridizare a unui orbital s- și unul p, care duce la formarea a doi orbitați, se numește -hibridizare. Așa cum Fig. 39, -orbitalii sunt orientați în direcții opuse, ceea ce duce la o structură liniară a moleculei. Într-adevăr, molecula este liniară și ambele legături din această moleculă sunt echivalente din toate punctele de vedere.
Sunt posibile și alte cazuri de hibridizare a orbitalilor atomici, cu toate acestea, numărul orbitalilor hibrizi rezultați este întotdeauna egal cu numărul total de orbitați atomici inițiali care participă la hibridizare. Deci, în timpul hibridizării unui orbital s- și a două p (-hibridizare - citește „es-pe-two”), se formează trei -orbitali echivalenți. În acest caz, norii de electroni hibrizi sunt localizați în direcții situate în același plan și orientate la unghiuri de 120 ° unul față de celălalt (Fig. 41). Evident, acest tip de hibridizare corespunde formării unei molecule triunghiulare plate.
Un exemplu de moleculă în care se efectuează hibridizarea β este o moleculă de fluor de bor. Aici, în locul celei inițiale orbitalele s și două p ale atomului de bor excitat
se formează trei α-orbitali echivalenți. Prin urmare, molecula este construită sub forma unui triunghi regulat, în centrul căruia există un atom de bor, iar la vârfuri sunt atomi de fluor. Toate cele trei legături dintr-o moleculă sunt echivalente.
Dacă în hibridizare (- hibridizare) sunt implicați un orbital s și trei orbitali p, atunci, ca rezultat, se formează patru orbitali hibrizi, alungiți în direcțiile către vârfurile tetraedrului, adică orientate în unghiuri între ele (Fig. 42). O astfel de hibridizare are loc, de exemplu, într-un atom de carbon excitat în timpul formării unei molecule de metan.
Orez. 41. Aranjamentul reciproc al norilor hibrid -electronici.
Orez. 42. Dispunerea reciprocă a norilor hibrid -electronici.
Prin urmare, molecula de metan are forma unui tetraedru și toate cele patru legături din această moleculă sunt echivalente.
Să revenim la analiza structurii moleculei de apă. În timpul formării sale, are loc -hibridizarea orbitalelor atomice de oxigen. De aceea unghiul de legătură al lui NU în moleculă este aproape nu de unghiul tetraedric. O ușoară diferență a acestui unghi de la 109,5 ° poate fi înțeleasă dacă luăm în considerare starea inegală a norilor de electroni care înconjoară atomul de oxigen din molecula de apă. Într-adevăr, în molecula de metan (I)
toți cei opt electroni care ocupă α-orbitalii hibrizi din atomul de carbon participă la formarea legăturilor covalente. Acest lucru duce la o distribuție simetrică a norilor de electroni în raport cu nucleul atomului de carbon. Între timp, într-o moleculă, doar patru dintre cei opt electroni care ocupă hibridele α-orbitale ale atomului de oxigen formează legături și două perechi de electroni rămân singuri, adică aparțin doar atomului de oxigen. Acest lucru duce la o oarecare asimetrie în distribuția norilor de electroni care înconjoară atomul de oxigen și, în consecință, la o deviere a unghiului dintre legăturile de la.
Când se formează molecula de amoniac, apar și orbitalele atomice ale atomului central (azot). De aceea unghiul de legătură este apropiat de tetraedru. Diferența ușoară a acestui unghi de la 109,5 ° se explică, ca și în molecula de apă, prin asimetria în distribuția norilor de electroni în jurul nucleului atomului de azot: din patru perechi de electroni, trei participă la formarea N - H obligațiuni și unul rămâne nepartajat.
Așa cum se arată în Fig. 39, 41 și 42, norii de electroni hibrizi sunt deplasați față de nucleul atomic.
Prin urmare, centrul sarcinii electrice a perechii de electroni solitari situat în orbitalul hibrid nu coincide cu poziția nucleului atomic, adică cu centrul sarcinii pozitive prezente în atom. O astfel de schimbare a sarcinii perechii de electroni solitari duce la apariția unui moment dipol, care aduce o contribuție semnificativă la momentul dipol total al moleculei. Rezultă din aceasta că polaritatea unei molecule depinde nu numai de polaritatea legăturilor individuale și de dispunerea reciprocă a acestora (vezi § 40), ci și de prezența perechilor de electroni solitari în orbitații hibrizi și de dispunerea spațială a acestor orbitați .
În elementele perioadei a treia și a perioadelor ulterioare, β-orbitalii pot participa, de asemenea, la formațiunile de nori de electroni hibrizi. Cazul β-hibridizării este deosebit de important, când unul, trei și doi α-orbitali sunt implicați în formarea orbitalilor hibrizi. În acest caz, se formează șase orbitale hibride echivalente, alungite spre vârfurile octaedrului. Structura octaedrică a unei molecule, a ionilor și a multor altele se explică prin hibridizarea orbitalilor atomici ai atomului central.
| Singur (σ) | Dublu (σ + π) | Triple (σ + π + π) |
| С - С С - Н С - О H - Cl | C = O C = C O = O | С≡С С≡N N≡N |
Hibridizare
Dacă un atom este legat de alți atomi de legături egale, dar în formarea lor sunt implicate diferite tipuri de orbitali, atunci se utilizează metoda HIBRIDIZĂRII.
Exemplu:Molecula CH 4 are forma unui tetraedru regulat, în care toate cele 4 legături au aceeași lungime, rezistență și sunt la aceleași unghiuri una cu cealaltă.
Cu toate acestea, la un atom de carbon tetravalent, electronii sunt localizați în trei orbitali p și un orbital s. Ele sunt diferite în ceea ce privește energia, forma și sunt localizate diferit în spațiu.
Pentru explicații, se utilizează conceptul de HIBRIDARE:
Din patru orbitali atomici, se formează 4 noi,
hibrid orbitalele, care în spațiu sunt situate LA DISTANȚA MAXIMĂ UNEI ALTELE. Este un tetraedru regulat, unghiurile dintre legături sunt 109 ° 29´.
Deoarece unul s și trei p-shell participă la formarea a patru legături, acest tip de hibridizare este notat sp 3
În funcție de numărul și tipul orbitalilor care participă la hibridizare, se disting următoarele tipuri de hibridizare:
1) sp-hibridizare. Sunt implicate un orbital s și unul orbital p. Molecula are o structură liniară, unghiul de legătură este 180 0.
2) sp 2 -hibridizare. Sunt implicați un orbital s și doi orbitali p. Molecula este situată într-un plan (capetele orbitalilor hibrizi sunt direcționați către vârfurile unui triunghi echilateral), unghiul de legătură este 120 0.
3) sp 3 -hibridizare. Sunt implicați un orbital s și trei orbitali p. Molecula are o formă tetraedrică, unghiul de legătură este 109,28 0.
Cum se determină tipul de hibridizare?
1. Hibridizarea implică legături sigma și PERECHI IONICE INDIVIDUALE.
2. Numărul total de orbitali sigma legătură participanți + perechi de electroni = numărul orbitalilor hibrizi și determină tipul de hibridizare.
Exercițiu: determinați tipul de hibridizare a atomului de carbon din molecula de fosgen.
O = C - Cl
1) carbonul formează 2 legături simple (acestea sunt legături sigma) și o legătură dublă (sigma + pi) Toți cei 4 electroni de carbon participă la formarea acestor legături.
2) astfel, TREI obligațiuni SIGMA vor lua parte la hibridizare. aceasta sp 2 - hibridizare, molecula are forma triunghi plat. Legătura pi este localizată perpendicular pe planul acestui triunghi.
Se încarcă ...