Гібридизацієюназивається гіпотетичний процес змішування різного типу, але близьких за енергією орбіталей даного атома з виникненням тієї ж кількості нових (гібридних 1) орбіталей, однакових за енергією та формою.
Гібридизація атомних орбіталейвідбувається при утворенні ковалентних зв'язків.
Гібридні орбіталі мають форму об'ємної несиметричної вісімки сильно витягнутої в один бік від атомного ядра: .
Така форма обумовлює сильніше, ніж у разі чистих атомних орбіталей, перекриття гібридних орбіталей з орбіталями (чистих або гібридних) інших атомів і призводить до утворення міцніших ковалентних зв'язків. Тому енергія, що витрачається на гібридизацію атомних орбіталей, з надлишком компенсується виділенням енергії за рахунок утворення міцніших ковалентних зв'язків за участю гібридних орбіталей. Назва гібридних орбіталей і тип гібридизації визначаються числом і типом атомних орбіталей, що беруть участь у гібридизації, наприклад: sp-, sp 2 -, sp 3 -, sp 2 d- абоsp 3 d 2 -гібридизація.
Спрямованість гібридних орбіталей, отже, і геометрія молекули залежить від типу гібридизації. Насправді зазвичай вирішується зворотне завдання: спочатку експериментально встановлюється геометрія молекули, після чого описується тип і форма гібридних орбіталей, що у її освіті.
sp -Гібридизація. Дві гібридні sp- орбіталі в результаті взаємного відштовхування розташовуються щодо атомного ядра таким чином, що кут між ними становить 180 ° (рис. 7).
Мал. 7. Взаємне розташування у просторі двох sp- гібридних орбіталей одного атома: а -поверхні, що охоплюють область простору, де ймовірність перебування електрона становить 90 %; б -умовне зображення.
В результаті такого розташування гібридних орбіталей молекули складу АХ 2 де А є центральним атомом, мають лінійна будоватобто ковалентні зв'язки всіх трьох атомів розташовуються на одній прямій. Наприклад, у стані sp- гібридизації знаходяться валентні орбіталі атома берилію в молекулі ВеС1 2 (рис. 8). Лінійну конфігурацію внаслідок sp- гібридизації валентних орбіталей атомів мають також молекули ВеН 2 , Ве(СН 3) 2 , ZnCl 2 , CO 2 , HC≡N та ряд інших.
Мал. 8. Трихатомна лінійна молекула хлориду берилію ВеС1 2 (у газоподібному стані): 1 - 3р-орбіталь атома Cl; 2 - дві sp- гібридні орбіталі атома Be.
s р 2 -Гібридизація. Розглянемо гібридизацію однієї s- та двох р-орбіталей. В цьому випадку в результаті лінійної комбінації трьох орбіталей виникають три гібридні sр 2 -орбіталі. Вони розташовуються в одній площині під кутом 120 ° один до одного (рис. 9). sр 2 -Гібридизація характерна для багатьох сполук бору, який, як показано вище, у збудженому стані має три неспарені електрони: один s- і два р-Електрона. При перекриванні sр 2 -орбіталей атома бору з орбіталями інших атомів утворюються три ковалентні зв'язки, рівноцінні по довжині та енергії. Молекули, в яких валентні орбіталі центрального атома перебувають у стані sр 2 -гібридизації, мають трикутну конфігурацію. Кути між ковалентними зв'язками дорівнюють 120°. В стані sр 2 -гібридизації знаходяться валентні орбіталі атомів бору в молекулах BF 3 , BC1 3 , атомів вуглецю та азоту в аніонах 3 2 - , NO 3 - .
Мал. 9. Взаємне розташування у просторі трьох sр 2 -гібридних орбіталей.
s р 3 -Гібридизація. Дуже велике поширення мають речовини, в молекулах яких центральний атом містить чотири sр 3 -орбіталі, що утворюються в результаті лінійної комбінації однієї s- та трьох р-орбіталей. Ці орбіталі розташовуються під кутом 109 28 один до одного і спрямовані до вершин тетраедра, в центрі якого знаходиться атомне ядро (рис. 10 а).
Утворення чотирьох рівноцінних ковалентних зв'язків за рахунок перекривання sр 3 -орбіталей з орбіталями інших атомів характерно для атомів вуглецю та інших елементів IVA-групи; це зумовлює тетраедричну структуру молекул (СН 4, CC1 4, SiH 4, SiF 4, GeH 4, GeBr 4 та ін).
Мал. 10. Вплив незв'язувальних електронних пар на геометрію молекул:
a- метану (не пов'язують електронних пар немає);
б– аміаку (одна незв'язувальна електронна пара);
в– води (дві пари, що не зв'язують).
Неподілені електронні пари гібридних орбіт. лей . У всіх розглянутих прикладах гібридні орбіталі були "заселені" одиночними електронами. Проте нерідкі випадки, коли гібридна орбіталь "заселена" електронною парою. Це впливає на геометрію молекул. Оскільки електронна пара, що не зв'язує, відчуває вплив ядра тільки свого атома, а зв'язувальна електронна пара знаходиться під дією двох атомних ядер, електронна пара, що не зв'язує, знаходиться ближче до атомного ядра, ніж зв'язує. В результаті цього електронна пара, що не зв'язує, сильніше відштовхує зв'язувальні електронні пари, ніж ті відштовхують один одного. Графічно для наочності велику відштовхуючу силу, що діє між електронними парами, що не зв'язують і зв'язують, можна зобразити більшою за обсягом електронною орбіталлюнезв'язувальної пари. Незв'язувальна електронна пара є, наприклад, атома азоту в молекулі аміаку (рис. 10 б). В результаті взаємодії з електронними парами, що зв'язують, валентні кути Н-N-Н скорочуються до 107,78° порівняно зі 109,5°, характерними для правильного тетраедра.
Ще більше відштовхування відчувають зв'язувальні електронні пари в молекулі води, де атом кисню має дві незв'язувальні електронні пари. Внаслідок чого валентний кут Н-О-Н у молекулі води дорівнює 104,5° (рис. 10 в).
Якщо електронна пара, що не зв'язує, в результаті утворення ковалентного зв'язку по донорно-акцепторному механізму перетворюється на зв'язуючу, то сили відштовхування між цим зв'язком та іншими ковалентними зв'язками в молекулі вирівнюються; вирівнюються і кути між цими зв'язками. Це відбувається, наприклад, при утворенні катіону амонію:
Участь у гібридизації d -орбіталей. Якщо енергія атомних d- орбіталей не дуже відрізняється від енергій s- і р-орбіталей, то вони можуть брати участь у гібридизації. Найпоширенішим типом гібридизації за участю d- орбіталей є sр 3 d 2 - гібридизація, в результаті якої утворюються шість рівноцінних за формою та енергією гібридних орбіталей (рис. 11 а), розташованих під кутом 90˚ один до одного і спрямованих до вершин октаедра, в центрі якого знаходиться атомне ядро. Октаедр (рис. 11) б) – є правильним восьмигранником: усі ребра у ньому рівної довжини, усі грані – правильні трикутники.
Мал. 11. sр 3 d 2 - Гібридизація
Рідше зустрічається sр 3 d- гібридизація з утворенням п'яти гібридних орбіталей (рис. 12 а), спрямованих до вершин тригональної біпіраміди (рис. 12 б). Тригональна біпіраміда утворюється з'єднанням двох рівнобедрених пірамід загальною основою - правильним трикутником. Напівжирні штрихи на рис. 12 бпоказані ребра рівної довжини. Геометрично та енергетично sр 3 d- гібридні орбіталі нерівноцінні: три «екваторіальні» орбіталі спрямовані до вершин правильного трикутника, а дві «аксіальні» - вгору і вниз перпендикулярно до площини цього трикутника (рис. 12 в). Кути між «екваторіальними» орбіталями дорівнюють 120°, як при sр 2 - гібридизації. Кут між «аксіальною» та будь-якою з «екваторіальних» орбіталей дорівнюють 90°. Відповідно до цього ковалентні зв'язки, які утворюються за участю «екваторіальних» орбіталей, відрізняються за довжиною та енергії від зв'язків, в освіті яких беруть участь «аксіальні» орбіталі. Наприклад, у молекулі РС1 5 «аксіальні» зв'язки мають довжину 214 пм, а «екваторіальні» - 202 пм.
Мал. 12. sр 3 d- Гібридизація
Таким чином, розглядаючи ковалентні зв'язки як результат перекриття атомних орбіталей, можна пояснити геометрію виникаючих при цьому молекул та іонів, яка залежить від числа та типу атомних орбіталей, що беруть участь у освіті зв'язків. Концепцію гібридизації атомних орбіталей, необхідно розуміти, що гібридизація є умовним прийомом, що дозволяє наочно пояснити геометрію молекули за допомогою комбінації АТ.
Багатоатомна молекула з виникненням однакових орбіталей, еквівалентних за своїми характеристиками.
Енциклопедичний YouTube
1 / 3
Гібридизація електронних орбіталей
цитологія. Лекція 46. Гібридизація орбіталей
Гібридні орбіталі sp3
Субтитри
Концепція гібридизації
Концепція гібридизації валентних атомних орбіталейбула запропонована американським хіміком Лайнусом Полінгом для відповіді на питання, чому за наявності у центрального атома різних (s, p, d) валентних орбіталей, утворені ним зв'язки в багатоатомних молекулах з однаковими лігандами виявляються еквівалентними за своїми енергетичними і просторовими характеристиками.
Уявлення про гібридизацію займають центральне місце в методі “валентних” зв'язків. Сама гібридизація не є реальною фізичним процесом, а лише зручною моделлю, що дозволяє пояснити електронну будову молекул, зокрема гіпотетичні видозміни атомних орбіталей при утворенні ковалентного хімічного зв'язку, зокрема, вирівнювання довжин хімічних зв'язків і валентних кутів у молекулі.
Концепція гібридизації з успіхом була застосована для якісного опису простих молекул, але пізніше була розширена і більш складних. На відміну від теорії, молекулярних орбіталей не є строго кількісною, наприклад вона не в змозі передбачити фотоелектронні спектри навіть таких простих молекул як вода. В даний час використовується в основному в методичних цілях і в синтетичній органічній хімії.
Цей принцип знайшов відображення в теорії, відштовхування, електронних, пар Гіллеспі - Найхолма, перше і найбільше важливе правилояке формулювалося наступним чином:
«Електронні пари приймають таке розташування на валентній оболонці атома, при якому вони максимально віддалені один від одного, тобто електронні пари поводяться так, як якщо б вони взаємно відштовхувалися» .Друге правило полягало в тому, що «Всі електронні пари, що входять до валентної електронної оболонки, вважаються розташованими на однаковій відстані від ядра».
Види гібридизації
sp-гібридизація
Відбувається при змішуванні однієї s-і однієї p-орбіталей. Утворюються дві рівноцінні sp-атомні орбіталі, розташовані лінійно під кутом 180 градусів і спрямовані в різні сторонивід ядра центрального атома. Дві негібридні p-орбіталі, що залишилися, розташовуються у взаємно перпендикулярних площинах і беруть участь в утворенні π-зв'язків, або займаються не поділеними парами електронів.
sp 2 -Гібридизація
Відбувається при змішуванні однієї s-і двох p-орбіталей. Утворюються три гібридні орбіталі з осями, розташованими в одній площині та спрямованими до вершин трикутника під кутом 120 градусів. Негібридна p-атомна орбіталь перпендикулярна до площини і, як правило, бере участь в утворенні π-зв'язків
sp 3 -Гібридизація
Відбувається при змішуванні однієї s-і трьох p-орбіталей, утворюючи чотири рівноцінні за формою та енергії sp 3 -гібридні орбіталі. Можуть утворювати чотири зв'язки з іншими атомами або заповнюватися неподіленими парами електронів.
Осі sp 3 -гібридних орбіталей спрямовані до вершин тетраедра, тоді як ядро центрального атома розташоване в центрі описаної сфери цього тетраедра. Кут між будь-якими двома осями приблизно дорівнює 109°28" , що відповідає найменшої енергіївідштовхування електронів. Також sp 3 -орбіталі можуть утворювати чотири зв'язку з іншими атомами або заповнюватися неподіленими парами електронів. Такий стан характерний для атомів вуглецю в насичених вуглеводнях і відповідно в алкільних радикалах та їх похідних.
Гібридизація та геометрія молекул
Уявлення про гібридизацію атомних орбіталей лежать в основі теорії, відштовхування, електронних, пар, Гіллеспі-Найхолма. Кожному типу гібридизації відповідає строго певна просторова орієнтація гібридних орбіталей центрального атома, що дозволяє її використовувати як основу стереохімічних уявлень органічної хімії.
У таблиці наведено приклади відповідності найбільш поширених типів гібридизації та геометричної структури молекул у припущенні, що всі гібридні орбіталі беруть участь в утворенні хімічних зв'язків (відсутні неподілені електронні пари).
| Тип гібридизації | Число гібридних орбіталей |
Геометрія | Структура | Приклади |
|---|---|---|---|---|
| sp | 2 | Лінійна |
BeF 2 , CO 2 , NO 2 + |
|
| sp 2 | 3 | Трикутна |
|
BF 3 , NO 3 - , CO 3 2- |
| sp 3 | 4 | Тетраедрична |
|
CH 4 , ClO 4 - , SO 4 2- , NH 4 + |
| dsp 2 | 4 | Плоскоквадратна |
Завдання 261.
Які типи гібридизації АТ вуглецю відповідають утворенню молекул СН 4, С 2 Н 6, С 2 Н 4, С 2 Н 2?
Рішення:
а) У молекулах СН 4 і З 2 Н 6 валентний електронний шар атома вуглецю містить чотири електронні пари:
Тому електронні хмари атома вуглецю в молекулах СН 4 З 2 Н 6 будуть максимально віддалені один від одного при sp3-гібридизації, коли їх осі спрямовані до вершин тетраедра. При цьому в молекулі СН 4 всі вершини тетраедра будуть зайняті атомами водню, тому молекула СН4 має тетраедричну конфігурацію з атомом вуглецю в центрі тетраедра. У молекулі З 2 Н 6 атоми водню займають три вершини тетраедра, а до четвертої вершини спрямовано загальну електронну хмару іншого атома вуглецю, тобто. два атоми вуглецю з'єднані один з одним. Це можна уявити схемами:
б) У молекулі З 2 Н 4 валентний електронний шар атома вуглецю, як і в молекулах СН 4 З 2 Н 6 . містить чотири електронні пари:
При освіті З 2 Н 4 три ковалентні зв'язки утворені за звичайним механізмом, тобто. є зв'язками, і одна - зв'язок. При утворенні молекули З 2 Н 4 кожен атом вуглецю з двома атомами водню - зв'язками та один з одним двома зв'язками, одним - і одним - зв'язками. Гібридні хмари відповідні даного типугібридизації, розташовуються в атомі вуглецю те щоб взаємодія між електронами було мінімальним, тобто. якнайдалі один від одного. Дане розташування атомів вуглецю (дві подвійні зв'язки між атомами вуглецю) характерно sp 2 -гібридизації АТ вуглецю. При sp 2 -гібридизації електронні хмари в атомах вуглецю орієнтовані в напрямках, що лежать в одній площині і кути, що складають один з одним, в 120 0 , тобто. у напрямах до вершин правильного трикутника. У молекулі етилену в освіті - зв'язків беруть участь три sp 2 -гібридні орбіталі кожного атома вуглецю, дві між двома атомами водню і одна з другим атомом вуглецю, а - зв'язок утворюється за рахунок р-електронних хмар кожного атома вуглецю. Структурна формуламолекули З 2 Н 4 матиме вигляд:
в) У молекулі С 2 Н 2 валентний електронний шар атома вуглецю містить чотири пари електронів:
Структурна формула З 2 N 2 має вигляд:
Кожен атом вуглецю з'єднаний однією електронною парою з атомом водню та трьома електронними парами з іншим атомом вуглецю. Таким чином, в молекулі ацетилену атоми вуглецю з'єднані один з одним одним зв'язком і двом зв'язками. З воднем кожен атом вуглецю з'єднаний зв'язком. У освіті - зв'язків беруть участь дві sp-гібридні АТ, які розташовані одне щодо одного отже взаємодія з-поміж них мінімальне, тобто. якнайдалі один від одного. Тому при sp-гібридизації електронні хмари між атомами вуглецю орієнтовані в протилежних напрямках щодо один одного, тобто. кут між зв'язками С-Сскладає 180 0 . Тому молекула З 2 Н 2 має лінійну будову:
Завдання 262.
Вказати тип гібридизації АТ кремнію в молекулах SiH 4 та SiF 4 . Чи полярні ці молекули?
Рішення:
У молекулах SiH 4 і SiF 4 валентний електронний шар містить чотири пари електронів:
Тому в обох випадках електронні хмари атома кремнію будуть максимально віддалені один від одного при sp 3 -гібридизації, коли їх осі спрямовані до вершин тетраедра. При цьому в молекулі SiH 4 всі вершини тетраедра зайняті атомами водню, а в молекулі SiF 4 атомами фтору, так що ці молекули мають тетраедрическую конфігурацію з атомом кремнію в центрі тетраедра:
У тетраедричних молекул SiH 4 і SiF 4 дипольні моменти зв'язків Si-H і Si-F взаємно компенсують один одного, так що сумарні дипольні моменти обох молекул дорівнюють нулю. Ці молекули неполярні, незважаючи на полярність зв'язків Si-H та Si-F.
Завдання 263.
У молекулах SО 2 і SО 3 атом сірки перебуває у стані sp 2 -гібридизації. Чи полярні ці молекули? Яка їхня просторова структура?
Рішення:
При sp 2 -гібридизації гібридні хмари розташовуються в атомі сірки в напрямках, що лежать в одній площині і кути, що складають один з одним, в 120 0 , тобто. спрямованих до вершин правильного трикутника.
а) У молекулі SО 2 дві sp 2 -гібридні АТ утворюють зв'язок з двома атомами кисню, третя sp 2 -гібридна орбіталь буде зайнята вільною електронною парою. Ця електронна пара зміщуватиме електронну площину і молекула SО 2 набуде форми неправильного трикутника, тобто. кут OSO не дорівнюватиме 120 0 . Тому молекула SО 2 матиме кутову форму при sp 2 -гібридизації орбіталей атома структуру:
У молекулі SО 2 взаємної компенсації дипольних моментів зв'язків S-Oне відбувається; дипольний момент такий молекули матиме значення більше від нуля, тобто. молекула полярна.
б) У кутовий молекулі SО 3 всі три sp2-гібридні АТ утворюють зв'язок із трьома атомами кисню. Молекула SО 3 матиме форму плоского трикутника з sp 2 -гібридизацією атома сірки:
У трикутній молекулі SО 3 дипольні моменти зв'язків S-O взаємно компенсують один одного, так що сумарний дипольний момент дорівнюватиме нулю, молекула полярна.
Завдання 264.
При взаємодії SiF4 з HF утворюється сильна кислота Н 2 SiF 6 диссоциирующая на іони Н + і SiF 6 2- . Чи може подібним чиномпротікати реакція між СF 4 та НF? Вказати тип гібридизації АТ кремнію в іоні SiF 6 2-.
Рішення:
а) При збудженні атом кремнію переходить зі стану 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 стан 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 4 3d 0 , а електронна будова валентних орбіталей відповідає схемі:
Чотири неспарені електрони збудженого атома кремнію можуть брати участь в утворенні чотирьох ковалентних зв'язків за звичайним механізмом з атомами фтору (1s 2 2s 2 2p 5), що мають по одному неспареному електрону з утворенням молекули SiF 4 .
При взаємодії SiF 4 HF утворюється кислота Н 2 SiF 6 . Це можливо, тому що в молекулі SiF 4 є вільні 3d-орбіталі, а в іоні F-(1s 2 2s 2 2p 6) вільні пари електронів. Зв'язок здійснюється за донорно-акцепторним механізмом за рахунок пари електронів кожного з двох іонів F - (HF ↔ H + + F -) і вільних 3d-орбіталей молекули SiF 4 . При цьому утворюється іон SiF 6 2-, який з іонами H + утворює молекулу кислоти Н 2 SiF 6 .
б) Вуглець (1s 2 2s 2 2p 2) може утворити, подібно до кремнію, з'єднання СF 4 , ніг при цьому валентні можливості атома вуглецю будуть вичерпані (немає неспарених електронів, вільних пар електронів і вільних валентних орбіталей на валентному рівні). Схема будови валентних орбіталей збудженого атома вуглецю має вигляд:
При утворенні СF 4 всі валентні орбіталі вуглецю зайняті, тому іон не може утворитися.
У молекулі SiF 4 валентний електронний шар атома кремнію містить чотири пари електронів:
Це ж спостерігається й у молекули СF 4 . тому в обох випадках електронні хмари атомів кремнію та вуглецю будуть максимально віддалені один від одного при sp3-гібридизації. Коли їх осі будуть спрямовані до вершин тетраедра:
Метод гібридизації атомних орбіталей виходить із припущення, що при утворенні молекули замість вихідних атомних та -електронних хмар утворюються такі рівноцінні «змішані» або гібридні електронні хмари, які витягнуті у напрямку до сусідніх атомів, завдяки чому досягається їхнє повніше перекриття з електронними хмарами цих атомів . Така деформація електронних хмар вимагає витрати енергії. Але більш повне перекриття валентних електронних хмар призводить до утворення більш міцного хімічного зв'язку і, отже, додаткового виграшу енергії. Якщо цей виграш енергії достатній, щоб з надлишком компенсувати витрати енергії на деформацію вихідних атомних електронних хмар, така гібридизація призводить, зрештою, до зменшення потенційної енергії молекули, що утворюється, і, отже, до підвищення її стійкості.
Розглянемо як приклад гібридизації утворення молекули фториду берилію. Кожен атом фтору, що входить до складу цієї молекули, має один неспарений електрон,
який і бере участь у освіті ковалентного зв'язку. Атом берилію в незбудженому стані неспарених електронів не має:
Тому для участі в утворенні хімічних зв'язків атом берилію повинен перейти до збуджений стан :
Збуджений атом, що утворився, володіє двома не-спареними електронами: електронна хмара одного з них відповідає стану , іншого - . При перекриванні цих електронних хмар з р-електронними хмарами двох атомів фтору можуть утворитися ковалентні зв'язки (рис. 38).
Проте, як було зазначено, при витраті деякої енергії замість вихідних s- і р-орбіталей атома берилію можуть утворитися дві рівноцінні гібридні орбіталі (-орбіталі). Форма та розташування цих орбіталей показані на рис. 39, з якого видно, що гібридні орбіталі витягнуті в протилежних напрямках.
Перекриття гібридних -електронних хмар атома берилію з р-електронними хмарами атомів фтору зображено на рис. 40.
Мал. 38. Схема перекривання -електронних хмар атомів фтору з -електронними хмарами атома берилію (для кожного зв'язку окремо). Області перекривання електронних хмар заштриховані.
Мал. 39. Форма ( схематичне зображення) та взаємне розташування гібридних -електронних хмар атома берилію (для кожної гібридної орбіталі окремо).
Мал. 40. Схема утворення хімічних зв'язків у молекулі. З метою спрощення малюнка гібридні електронні хмари атома берилію зображені неповністю.
Завдяки витягнутій формі гібридних орбіталей досягається більш повне перекриття взаємодіючих електронних хмар, а отже, утворюються міцніші хімічні зв'язки. Енергія, що виділяється при утворенні цих зв'язків, більша, ніж сумарні витрати енергії на збудження атома берилію та гібридизацію його атомних орбіталей. Тому процес утворення молекули енергетично вигідний.
Розглянутий випадок гібридизації однієї s-і однієї р-орбіталі, що призводить до утворення двох орбіталей, називається гібридизацією. Як свідчить рис. 39 -орбіталі орієнтовані в протилежних напрямках, що призводить до лінійної будови молекули. Справді, молекула лінійна, а обидві зв'язки у цій молекулі з усіх поглядів рівноцінні.
Можливі й інші випадки гібридизації атомних орбіталей, проте кількість гібридних орбіталей, що утворюються, завжди дорівнює загальному числу вихідних атомних орбіталей, що беруть участь у гібридизації. Так, при гібридизації однієї s-і двох р-орбіталей (-гібридизація - читається «ес-пе-два») утворюються три рівноцінні -орбіталі. У цьому випадку гібридні електронні хмари розташовуються у напрямках, що лежать в одній площині та орієнтовані під кутами 120° один до одного (рис. 41). Очевидно, що цьому типу гібридизації відповідає утворення плоскої трикутної молекули.
Прикладом молекули, в якій здійснюється гібридизація, може служити молекула фториду бору. Тут замість вихідних однієї s-і двох р-орбіталей збудженого атома бору
утворюються три рівноцінні -орбіталі. Тому молекула побудована у формі правильного трикутника, в центрі якого розташований атом бору, а у вершинах атоми фтору. Усі три зв'язки у молекулі рівноцінні.
Якщо в гібридизації беруть участь одна s-і три р-орбіталі (-гібридизація), то в результаті утворюються чотири гібридні-орбіталі, витягнуті у напрямках до вершин тетраедра, тобто орієнтовані під кутами один до одного (рис. 42). Така гібридизація здійснюється, наприклад, у збудженому атомі вуглецю під час утворення молекули метану .
Мал. 41. Взаємне розташування гібридних-електронних хмар.
Мал. 42. Взаємне розташування гібридних-електронних хмар.
Тому молекула метану має форму тетраедра, причому всі чотири зв'язки у цій молекулі рівноцінні.
Повернемося до розгляду структури молекули води. При її утворенні відбувається гібридизація атомних орбіталей кисню. Саме тому валентний кут НОН у молекулі близький не до, а до тетраедричного кута. Невелика відмінність цього кута від 109,5° можна зрозуміти, якщо взяти до уваги нерівноцінність стану електронних хмар, що оточують атом кисню в молекулі води. Справді, у молекулі метану (I)
всі вісім електронів, що займають в атомі вуглецю гібридні орбіталі, беруть участь в утворенні ковалентних зв'язків. Це зумовлює симетричний розподіл електронних хмар стосовно ядра атома вуглецю. Тим часом, у молекулі лише чотири з восьми електронів, що займають гібридні орбіталі атома кисню, утворюють зв'язки, а дві електронні пари залишаються неподіленими, тобто належать тільки атому кисню. Це призводить до деякої асиметрії у розподілі електронних хмар, що оточують атом кисню, і, як наслідок, відхилення кута між зв'язками від .
При освіті молекули аміаку відбувається атомних орбіталей центрального атома (азота). Саме тому валентний кут близький до тетраедричного. Невелика відмінність цього кута від 109,5° пояснюється, як і молекулі води, асиметрією у розподілі електронних хмар навколо ядра атома азоту: з чотирьох електронних пар три беруть участь у освіті зв'язків N - Н, а одна залишається неподіленою.
Як свідчать рис. 39, 41 і 42, гібридні електронні хмари зміщені щодо ядра атома.
Тому центр електричного заряду неподіленої електронної пари, що знаходиться на гібридній орбіталі, не збігається з положенням атомного ядра, Т. е. з центром позитивного заряду, що є в атомі. Таке зміщення заряду неподіленої електронної пари призводить до появи дппольного моменту, що робить істотний внесок у сумарний дипольний момент молекули. З цього випливає, що полярність молекули залежить не тільки від полярності окремих зв'язків та їх взаємного розташування (див. § 40), а й від наявності неподілених електронних пар на гібридних орбіталях та від просторового розташування цих орбіталей.
У елементів третього та наступних періодів утворень гібридних електронних хмар можуть брати участь і -орбіталі. Особливо важливий випадок -гібридизації, коли в утворенні гібридних орбіталей беруть участь одна, три і дві -орбіталі. У цьому випадку утворюються шість рівноцінних гібридних орбіталей, витягнутих у напрямках до вершин октаедра. Октаедрична структура молекули, іонів та багатьох інших пояснюється гібридизацією атомних орбіталей центрального атома.
| Одинарна (σ) | Подвійна (σ+π) | Потрійна (σ + π + π) |
| С–С С–Н С–О H–Cl | С=O С=З О=О | С≡С С≡N N≡N |
Гібридизація
Якщо атом пов'язаний з іншими атомами ОДНАКОВИМИ ЗВ'ЯЗКАМИ, але при їх освіті беруть участь орбіталі різного типу, то використовується метод ГІБРИДИЗАЦІЇ.
Приклад:Молекула СН 4 має форму правильного тетраедра, в ній всі 4 зв'язки мають однакову довжину, міцність, що знаходяться під однаковими кутами один до одного.
Однак у чотиривалентного атома вуглецю електрони розташовані на трьох р-орбіталях та однієї s-орбіталі. Вони різні за енергією, формою і розташовані в просторі інакше.
Для пояснення використовується поняття ГІБРИДИЗАЦІЇ:
З чотирьох атомних орбіталей утворюються 4 нових,
гібриднихорбіталі, які у просторі розташовуються НА МАКСИМАЛЬНОМУ ВИДАЛЕННІ ДРУГ ВІД ДРУГА. Це правильний тетраедр, кути між зв'язками дорівнюють 109 ° 29 '.
Оскільки в освіті чотирьох зв'язків беруть участь одна s і три р-оболонки, такий тип гібридизації позначається sp 3
Залежно від числа та типу орбіталей, які беруть участь у гібридизації, відрізняють такі типи гібридизації:
1) sp-гібридизація. Беруть участь одна s-орбіталь та одна р-орбіталь. Молекула має лінійну структуру, валентний кут – 180 0 .
2) sp 2 -гібридизація. Беруть участь одна s-орбіталь та дві р-орбіталі. Молекула розташовується у площині (кінці гібридних орбіталей спрямовані до вершин рівностороннього трикутника), валентний кут – 120 0 .
3) sp 3 -гібридизація. Беруть участь одна s-орбіталь і три р-орбіталі. Молекула має тетраедричну форму, валентний кут – 109,28 0 .
Як визначити тип гібридизації?
1. У гібридизації беруть участь сигма-зв'язки та НЕПОДІЛЕНІ ІОННІ ПАРИ.
2. Загальне числоберуть участь орбіталей сигма-зв'язків + електронних пар = числу гібридних орбіталей і визначає тип гібридизації.
Завдання:визначити тип гібридизації атома вуглецю у молекулі фосгену.
O = C - Cl
1) вуглець утворює 2 одинарні зв'язки (це сигма-зв'язку) і один подвійний зв'язок (сигма+пі). Усі 4 електрона вуглецю беруть участь в утворенні цих зв'язків.
2) таким чином, у гібридизації візьмуть участь ТРИ СИГМА-зв'язки. Це sp 2 - гібридизація, молекула має форму плоский трикутник. Пі-зв'язок розташовується перпендикулярно до площини цього трикутника.
Loading...