Видови на хибридизација. Хибридизација на електронски орбитали и молекуларна геометрија
Хибридизација атомски орбитали- процес кој ни овозможува да разбереме како атомите ги менуваат своите орбитали кога формираат соединенија. Значи, што е хибридизација и какви видови постојат?
Општи карактеристики на хибридизација на атомски орбитали
Атомска орбитална хибридизација е процес во кој се мешаат различни орбитали на централниот атом, што резултира со формирање на орбитали со идентични карактеристики.
Хибридизацијата се јавува при формирање на ковалентна врска.
Хибридната орбитала има шанси за знак на бесконечност или асиметрична превртена бројка од осум, продолжена подалеку од атомското јадро. Оваа форма предизвикува посилно преклопување на хибридните орбитали со орбиталите (чисти или хибридни) на други атоми отколку во случајот со чисти атомски орбитали и доведува до формирање на посилни ковалентни врски.
Ориз. 1. Хибриден изглед на орбитата.
Идејата за хибридизација на атомските орбитали првпат ја изнесе американскиот научник Л. Полинг. Тој верувал дека атомот што влегува во хемиска врска има различни атомски орбитали (s-, p-, d-, f-орбитали), и како резултат на тоа, се случува хибридизација на овие орбитали. Суштината на процесот е дека атомските орбитали еквивалентни една на друга се формираат од различни орбитали.
Видови на атомска орбитална хибридизација
Постојат неколку видови на хибридизација:
- . Овој тип на хибридизација се јавува кога се мешаат една s орбитала и една p орбитала. Како резултат на тоа, се формираат две полноправни sp орбитали. Овие орбитали се наоѓаат кон атомското јадро на таков начин што аголот меѓу нив е 180 степени.
Ориз. 2. сп-хибридизација.
- sp2 хибридизација. Овој тип на хибридизација се јавува кога се мешаат една s орбитала и две p орбитали. Како резултат на тоа, се формираат три хибридни орбитали, кои се наоѓаат во иста рамнина под агол од 120 степени една до друга.
- . Овој тип на хибридизација се јавува кога се мешаат една s орбитала и три p орбитали. Како резултат на тоа, се формираат четири полноправни sp3 орбитали. Овие орбитали се насочени кон врвот на тетраедарот и се наоѓаат под агол од 109,28 степени една до друга.
Хибридизацијата sp3 е карактеристична за многу елементи, на пример, јаглеродниот атом и други супстанции од групата IV (CH 4, SiH 4, SiF 4, GeH 4, итн.)
Ориз. 3. sp3 хибридизација.
Можни се и посложени типови на хибридизација кои вклучуваат d-орбитали на атоми.
Што научивме?
Хибридизацијата е сложена хемиски процес, кога различни орбитали на атомот формираат идентични (еквивалентни) хибридни орбитали. Теоријата за хибридизација прв ја искажа Американецот Л. Полинг. Постојат три главни типа на хибридизација: sp-хибридизација, sp2-хибридизација, sp3-хибридизација. Исто така, постојат посложени типови на хибридизација кои вклучуваат d орбитали.
Една од задачите на хемијата е проучување на структурата на материјата, вклучително и разјаснување на механизмот на формирање на различни соединенија од едноставни супстанции формирани од атоми на еден хемиски елемент. Карактеристиките на интеракцијата на атомите, поточно нивните различно наелектризирани компоненти - електронски обвивки и јадра - се опишани како различни видови хемиски врски. Така, супстанциите се формираат преку ковалентни врски, за да се опише во 1931 година американскиот хемичар Л. Полинг предложил модел на хибридизација на атомските орбитали.
Концепт на ковалентна врска
Во случаи кога процесот на интеракција резултира со формирање на пар валентни електронски облаци заеднички за два атома, зборуваме за ковалентна врска. Како резултат на нејзиното појавување, најмалата честичкаедноставна или сложена супстанција - молекула.
Една од карактеристиките на ковалентна врска е нејзината насоченост - последица сложена формаелектронски орбитали p, d и f, кои, без да имаат сферична симетрија, имаат одредена просторна ориентација. Друг важна карактеристикана овој тип на хемиска врска - заситеност, поради ограничениот број на надворешни - валентни - облаци во атомот. Затоа е можно постоење на молекула, на пример, H 2 O, но H 5 O не е.
Видови ковалентни врски
Може да дојде до формирање на споделени електронски парови различни начини. Во механизмот на формирање на ковалентна врска важна улогаигра улога во природата на преклопувањето на облакот и просторната симетрија на добиениот облак. Според овој критериум, Л. Полинг предложил да се разликуваат следниве типови:
- Сигма врската (σ) има најголем степен на преклопување долж оската што минува низ атомските јадра. Овде густината на облаците ќе биде максимална.
- Пи врската (π) се формира со странично преклопување, а електронскиот облак, соодветно, има најголема густина надвор од оската што ги поврзува јадрата.
Овие просторни карактеристики се од големо значење доколку се во корелација со енергетските параметри на ковалентната врска.
Карактеристики на полиатомски молекули
Концептот на хибридизација беше воведен од Полинг за да се објасни една од карактеристиките на ковалентните врски во полиатомските молекули. Познато е дека врските формирани од централниот атом во таквите молекули се идентични по просторни и енергетски карактеристики. Ова се случува без оглед на тоа кои орбитали (s, p или d) се вклучени во формирањето на заеднички електронски пар.
Многу погодно и јасен примерЈаглеродниот атом се користи за да се илустрира овој феномен. Кога влегува во хемиска врска, атомот во возбудена состојба има 4 валентни орбитали: 2s, 2p x, 2p y и 2p z. Последните три се разликуваат од орбиталата 2s по енергија и форма. Сепак, во молекула на, на пример, CH4 метан, сите четири врски се целосно еквивалентни и имаат агли на врска од 109,5° (додека р-орбиталите се наоѓаат под агли од 90°). Во други јаглеродни соединенија се јавуваат агли на врска од 120° и 180°; во молекулите кои содржат азот (амонијак NH 3) и кислород (вода H 2 O) овие агли се 107,5° и 104,5°. Појавата на таквите агли на поврзување исто така бараше објаснување.
Суштината на феноменот
Идејата за хибридизација е формирање на просечни орбитали со преклопување на електронски облаци различни типовисо блиски енергетски вредности - s, p, понекогаш d. Бројот на добиените - хибридни - орбитали одговара на бројот на облаци кои се преклопуваат. Бидејќи орбиталата е одредувачка веројатност да се најде електрон во одредена точка во атомот, хибридната орбитала е суперпозиција на бранови функции што се јавува како резултат на електронски транзиции кога атомот е возбуден. Тоа доведува до појава на еквивалентни бранови функции кои се разликуваат само во насока.
Хибридните орбитали се еквивалентни по енергија и имаат иста форма во форма на тродимензионална фигура осум, која има силна асиметрија во однос на јадрото. За хибридизација се троши помалку енергија отколку што се ослободува при формирање на силна ковалентна врска со хибридни орбитали, затоа овој процес е енергетски поволен, односно најверојатен.
орбитална хибридизација и молекуларна геометрија
Можно различни опциипреклопување (мешање) на надворешни електронски облаци во атомот. Најчестите типови на орбитална суперпозиција се:
- Sp 3 -хибридизација. Оваа опцијасе реализира со суперпонирање на една s- и три p-орбитали. Резултатот е четири хибридни орбитали, чии оски се насочени за кој било пар под агли од 109,5°, што одговара на минималното меѓусебно одбивање на електроните. Кога овие орбитали влегуваат во σ врски со други атоми, се формира молекула со тетраедрална конфигурација, на пример, метан, етан C 2 H 6 (комбинација од два тетраедра), амонијак, вода. Во молекулата на амонијак, еден, а во молекулата на водата, две од темињата на тетраедронот се окупирани од осамени електронски парови, што доведува до намалување на аголот на врската.
- Хибридизацијата на Sp 2 се јавува кога се комбинираат една s и две p орбитали. Во овој случај, трите хибридни орбитали се наоѓаат под агли од 120° во иста рамнина. Слично триаголен обликимаат, на пример, молекули на бор трихлорид BCl 3, кој се користи во различни технологии. Друг пример, молекулата на етилен, е формирана поради дополнителна π врска помеѓу јаглеродните атоми, во која една p орбитала е нехибридна и ориентирана нормално на рамнината формирана од два триаголници.
- Sp хибридизација се јавува кога една s и една p орбитала се мешаат. Двата хибридни облаци се наоѓаат под агол од 180°, а молекулата има линеарна конфигурација. Примери се молекули на берилиум хлорид BeCl 2 или ацетилен C 2 H 2 (во вториот, две нехибридни јаглеродни p-орбитали формираат дополнителни π врски).
Постојат и посложени опции за хибридизација на атомските орбитали: sp 3 d, sp 3 d 2 и други.
Улогата на моделот на хибридизација
Концептот на Полинг дава добар квалитативен опис на структурата на молекулите. Погодно е и визуелно и успешно објаснува некои од карактеристиките на ковалентните соединенија, како што се големината на аглите на врската или усогласувањето на должината на хемиската врска. Сепак, квантитативната страна на моделот не може да се смета за задоволителна, бидејќи не дозволува да се направат многу важни предвидувања во врска со физичките ефекти поврзани со структурните карактеристики на молекулите, на пример, молекуларните фотоелектронски спектри. Самиот автор на концептот на хибридизација веќе ги забележа неговите недостатоци во раните 1950-ти.
Сепак, моделот на хибридизација на атомските орбитали одигра голема улога во развојот на современите идеи за структурата на материјата. Врз основа на него, беа развиени посоодветни концепти, на пример, теоријата за одбивање на електронски парови. Затоа, се разбира, моделот на хибридизација беше важна фаза во развојот на теоретската хемија и кога се опишуваат некои аспекти на електронската структура на молекулите, тој е сосема применлив во сегашно време.
Методот на валентна врска овозможува јасно да се објаснат просторните карактеристики на многу молекули. Сепак, вообичаената идеја за облиците на орбиталите не е доволна за да се одговори на прашањето зошто, ако централниот атом има различни - с, стр, г– валентни орбитали, врските формирани од него во молекули со идентични супституенти се еквивалентни по нивната енергија и просторни карактеристики. Во дваесеттите години на 19 век, Линус Полинг го предложи концептот на хибридизација на електронските орбитали. Хибридизацијата е апстрактен модел на порамнување на атомските орбитали во форма и енергија.
Примери на хибридни орбитални форми се претставени во Табела 5.
Табела 5. Хибрид сп, сп 2 , сп 3 орбитали
Концептот на хибридизација е погоден за употреба кога се објаснува геометриската форма на молекулите и големината на аглите на врската (примери на задачи 2-5).
Алгоритам за одредување на геометријата на молекулите со помош на методот BC:
А. Одреди го централниот атом и бројот на σ-врски со крајните атоми.
б. Нацртај ги електронските конфигурации на сите атоми што ја сочинуваат молекулата и графичките слики на надворешните електронски нивоа.
В. Според принципите на методот BC, за формирање на секоја врска е потребен пар електрони, во општ случај, по еден од секој атом. Ако нема доволно неспарени електрони за централниот атом, треба да се претпостави возбудувањето на атомот со преминот на еден од парот електрони на повисоко енергетско ниво.
г. Претпоставете ја потребата и видот на хибридизација, земајќи ги предвид сите врски и, за елементите од првиот период, неспарените електрони.
д. Врз основа на горенаведените заклучоци, нацртајте ги електронските орбитали (хибридни или не) на сите атоми во молекулата и нивното преклопување. Извлечете заклучок за геометријата на молекулата и приближната вредност на аглите на врската.
ѓ. Одредете го степенот на поларитетот на врската врз основа на вредностите на електронегативност на атомите (Табела 6) Определете го присуството на диполен момент врз основа на локацијата на центрите на гравитација на позитивни и негативни полнежи и/или симетрија на молекулата .
Табела 6. Вредности на електронегативност на некои елементи според Полинг
Примери на задачи
Вежба 1. Опишете ја хемиската врска во молекулата на CO користејќи го методот BC.
Решение (сл. 25)
А. Нацртај ги електронските конфигурации на сите атоми што ја сочинуваат молекулата.
б. За да се формира врска, неопходно е да се создадат социјализирани електронски парови
Слика 25. Шема на формирање на врска во молекула на CO (без орбитална хибридизација)
Заклучок: Во молекулата на CO постои тројна врска C≡O
За молекулата на CO, можеме да претпоставиме присуство сп-хибридизација на орбиталите на двата атома (сл. 26). Спарените електрони кои не се вклучени во формирањето на врската се наоѓаат на сп-хибридна орбитала.
 |  |
Слика 26. Шема на формирање на врска во молекула на CO (земајќи ја предвид хибридизацијата на орбиталите)
Задача 2.Врз основа на методот BC, претпоставете ја просторната структура на молекулата BeH 2 и определете дали молекулата е дипол.
Решението на проблемот е претставено во Табела 7.
Табела 7. Определување на геометријата на молекулата BeH 2
| Електронска конфигурација | Белешки | ||
| А. | Централниот атом е берилиум. Треба да формира две ϭ-врски со водородни атоми | ||
| б. | H: 1 с 1 Биди: 2 с 2 | Атомот на водород има неспарен електрон, атомот на берилиум ги има сите електрони спарени, тој мора да се пренесе во возбудена состојба | |
| В. | H: 1 с 1 Be*: 2 с 1 2стр 1 | Ако еден водороден атом се поврзал со берилиум поради 2 с-електрон на берилиум, а другиот - поради 2 стр-електрон на берилиум, тогаш молекулата не би имала симетрија, што не е енергетски оправдано, а врските Be–H не би биле еквивалентни. | |
| Г. | H: 1 с 1 Be*: 2( сп) 2 | Треба да се претпостави дека постои сп-хибридизација | |
| г. | Две сп-хибридните орбитали се наоѓаат под агол од 180°, молекулата BeH 2 е линеарна | ||
| д. |  | Електронегативност χ H = 2,1, χ Be = 1,5, затоа врската е ковалентна поларна, густината на електронот е поместена во атомот на водород, на неа се појавува мал негативен полнеж δ–. На атомот на берилиум δ+. Бидејќи центрите на гравитација на позитивниот и негативниот полнеж се совпаѓаат (тоа е симетрично), молекулата не е дипол. |
Слично размислување ќе помогне да се опише геометријата на молекулите со сп 2 - и сп 3-хибридни орбитали (Табела 8).
Табела 8. Геометрија на молекулите BF 3 и CH 4
Задача 3.Врз основа на методот BC, претпоставете ја просторната структура на молекулата H 2 O и определете дали молекулата е дипол. Постојат две можни решенија, тие се претставени во табелите 9 и 10.
Табела 9. Определување на геометријата на молекулата H 2 O (без орбитална хибридизација)
| Електронска конфигурација | Графички приказ на орбитали на надворешно ниво | Белешки | |
| А. | |||
| б. | H: 1 с 1 О: 2 с 2 2стр 4 |  | |
| В. | Има доволно неспарени електрони за да се формираат две ϭ врски со водородни атоми. | ||
| Г. | Хибридизацијата може да се занемари | ||
| г. |  | ||
| д. |  |
Така, молекулата на водата треба да има агол на врска од околу 90°. Меѓутоа, аголот помеѓу врските е приближно 104°.
Ова може да се објасни
1) одбивање на атоми на водород лоцирани блиску еден до друг.
2) Хибридизација на орбитали (Табела 10).
Табела 10. Определување на геометријата на молекулата H 2 O (земајќи ја предвид хибридизацијата на орбиталите)
| Електронска конфигурација | Графички приказ на орбитали на надворешно ниво | Белешки | |
| А. | Централниот атом е кислородот. Треба да формира две ϭ врски со водородни атоми. | ||
| б. | H: 1 с 1 О: 2 с 2 2стр 4 | | Атомот на водород има неспарен електрон, а атом на кислород има два неспарени електрони. |
| В. | Атомот на водород има неспарен електрон, а атом на кислород има два неспарени електрони. | ||
| Г. | Агол од 104° сугерира присуство сп 3-хибридизација. | ||
| г. |  | Две сп 3-хибридните орбитали се наоѓаат под агол од приближно 109 °, молекулата H 2 O е блиска во форма на тетраедар, намалувањето на аголот на врската се објаснува со влијанието на електронскиот неврзувачки пар. | |
| д. | Електронегативност χ Н = 2,1, χ О = 3,5, затоа врската е ковалентна поларна, густината на електронот се поместува во атомот на кислородот, на него се појавува мал негативен полнеж 2δ– На водородниот атом δ+. Бидејќи центрите на гравитација на позитивните и негативните полнежи не се совпаѓаат (не е симетрично), молекулата е дипол. |
Слично размислување овозможува да се објаснат аглите на врската во молекулата на амонијак NH 3 . Хибридизацијата која вклучува осамени електронски парови обично се претпоставува само за орбиталите на атомите на елементите од периодот II. Агли на поврзување во молекулите H 2 S = 92 °, H 2 Se = 91 °, H 2 Te = 89 °. Истото е забележано и во сериите NH 3, РH 3, AsH 3. Кога ја опишуваат геометријата на овие молекули, традиционално, или тие не прибегнуваат кон концептот на хибридизација, или го објаснуваат намалувањето на тетраедарскиот агол со зголеменото влијание на осамениот пар.
Хибридизација на атомски орбитали и молекуларна геометрија
Важна карактеристикамолекула која се состои од повеќе од два атома е нејзина геометриска конфигурација.Се одредува со взаемното распоредување на атомските орбитали вклучени во формирањето на хемиски врски.
Преклопувањето на електронските облаци е можно само со одредена релативна ориентација на електронските облаци; во овој случај, регионот на преклопување се наоѓа во одредена насока во однос на атомите кои содејствуваат.
Табела 1 Хибридизација на орбитали и просторна конфигурација на молекулите
Возбудениот атом на берилиум има конфигурација од 2s 1 2p 1, возбудениот атом на бор има конфигурација од 2s 1 2p 2, а возбудениот јаглероден атом има конфигурација од 2s 1 2p 3. Затоа, можеме да претпоставиме дека не исти, туку различни атомски орбитали можат да учествуваат во формирањето на хемиски врски. На пример, во соединенијата како BeCl 2, BeCl 3, CCl 4 треба да има врски со нееднаква јачина и насока, а σ-врските од p-орбиталите треба да бидат посилни од врските од s-орбиталите, бидејќи за p-орбитали има повеќе поволни условиза преклопување. Сепак, искуството покажува дека во молекулите кои содржат централни атоми со различни валентни орбитали (s, p, d), сите врски се еквивалентни. Објаснување за ова дадоа Слејтер и Полинг. Тие заклучија дека различни орбитали, не многу различни по енергија, формираат соодветен број на хибридни орбитали. Хибридните (мешани) орбитали се формираат од различни атомски орбитали. Бројот на хибридни орбитали е еднаков на бројот на атомски орбитали вклучени во хибридизацијата. Хибридните орбитали се идентични по формата и енергијата на електронскиот облак. Во споредба со атомските орбитали, тие се повеќе издолжени во насока на формирање на хемиски врски и затоа обезбедуваат подобро преклопување на електронските облаци.
Хибридизацијата на атомските орбитали бара енергија, така што хибридните орбитали во изолиран атом се нестабилни и имаат тенденција да се претворат во чисти АО. Кога се формираат хемиски врски, хибридните орбитали се стабилизираат. Поради посилните врски што ги формираат хибридните орбитали, повеќе енергија се ослободува од системот и затоа системот станува постабилен.
sp-хибридизација се случува, на пример, при формирање на Be, Zn, Co и Hg (II) халиди. Во валентната состојба, сите метални халиди содржат s и p-неспарени електрони на соодветно енергетско ниво. Кога се формира молекула, една s и една p орбитала формираат две хибридни sp орбитали под агол од 180 степени.
Сл.3 sp хибридни орбитали
Експерименталните податоци покажуваат дека Be, Zn, Cd и Hg(II) халидите се сите линеарни и двете врски се со иста должина.
sp 2 хибридизација
Како резултат на хибридизација на една s-орбитала и две p-орбитали, се формираат три хибридни sp 2 орбитали, лоцирани во иста рамнина под агол од 120 o една до друга. Ова е, на пример, конфигурацијата на молекулата BF 3:
Сл.4 sp 2 хибридизација
sp 3 хибридизација
sp 3 хибридизацијата е карактеристична за јаглеродните соединенија. Како резултат на хибридизација на една s орбитала и три
p-орбитали, се формираат четири хибридни sp 3 орбитали, насочени кон темињата на тетраедарот со агол меѓу орбиталите од 109,5 o. Хибридизацијата се манифестира во целосна еквивалентност на врските на јаглеродниот атом со други атоми во соединенија, на пример, во CH 4, CCl 4, C(CH 3) 4 итн.
Сл.5 sp 3 хибридизација
Ако сите хибридни орбитали се поврзани со истите атоми, тогаш врските не се разликуваат една од друга. Во други случаи, се случуваат мали отстапувања од стандардните агли на врската. На пример, во молекулата на водата H 2 O, кислородот - sp 3 -хибрид, се наоѓа во центарот на неправилен тетраедар, на чии темиња „изгледаат“ два атоми на водород и два единствени пара електрони (сл. 2). . Обликот на молекулата е аголен кога се гледа од центрите на атомите. Аголот на врската HOH е 105°, што е прилично блиску до теоретската вредност од 109°.
Сл.6 sp 3 - хибридизација на атоми на кислород и азот во молекулите а) H 2 O и б) NCl 3.
Доколку немаше хибридизација („порамнување“ на O-H врските), аголот на врската HOH би бил 90° бидејќи атомите на водородот би биле прикачени на две меѓусебно нормални p орбитали. Во овој случај, нашиот свет веројатно би изгледал сосема поинаку.
Теоријата на хибридизација ја објаснува геометријата на молекулата на амонијак. Како резултат на хибридизацијата на 2s и трите 2p орбитали на азот, се формираат четири sp 3 хибридни орбитали. Конфигурацијата на молекулата е искривен тетраедар, во кој три хибридни орбитали учествуваат во формирањето на хемиска врска, но четвртата со пар електрони не. Агли помеѓу N-H обврзницине е еднаква на 90° како во пирамида, но исто така не е еднаква на 109,5°, што одговара на тетраедар.
Сл.7 sp 3 - хибридизација во молекула на амонијак
Кога амонијакот е во интеракција со водороден јон, како резултат на интеракцијата донор-акцептор, се формира јон на амониум, чија конфигурација е тетраедар.
Хибридизацијата исто така ја објаснува разликата во аголот помеѓу O-H врскиво аголната молекула на водата. Како резултат на хибридизацијата на 2s и трите 2p орбитали на кислород, се формираат четири sp 3 хибридни орбитали, од кои само две се вклучени во формирањето на хемиска врска, што доведува до нарушување на аголот што одговара на тетраедарот .
Сл.8 sp 3 хибридизација во молекула на вода
Хибридизацијата може да вклучи не само s- и p-орбитали, туку и d- и f-орбитали.
Со хибридизација sp 3 d 2 се формираат 6 еквивалентни облаци. Тоа е забележано во такви соединенија како 4-, 4-. Во овој случај, молекулата има конфигурација на октаедар:
Ориз. 9 d 2 sp 3 -хибридизација во јон 4-
Идеите за хибридизација овозможуваат да се разберат таквите структурни карактеристики на молекулите што не можат да се објаснат на друг начин.
Хибридизацијата на атомските орбитали (АО) доведува до поместување на електронскиот облак во насока на формирање врски со други атоми. Како резултат на тоа, областите на преклопување на хибридните орбитали излегуваат дека се поголеми отколку за чистите орбитали и јачината на врската се зголемува.
Ковалентните врски се најчести во светот на органските материи; тие се карактеризираат со заситеност, поларизација и насоченост во просторот.
Заситеноста на ковалентна врска лежи во фактот дека бројот на заеднички електронски парови што може да ги формира одреден атом е ограничен. Поради ова, ковалентните соединенија имаат строго дефиниран состав. Затоа, на пример, постојат молекули H 2, N 2, CH 4, но нема молекули H 3, N 4, CH 5.
Поларизираноста на ковалентна врска е способноста на молекулите (и поединечните врски во нив) да го променат својот поларитет под влијание на надворешни електрично поле- поларизираат.
Како резултат на поларизација, неполарните молекули можат да станат поларни, а поларните може да се претворат во уште пополарни, до целосно раскинување на поединечните врски со формирање на јони:
Насоченоста на ковалентната врска се должи на фактот што p-, d- и f-облаците се ориентирани на одреден начин во просторот. Насоката на ковалентна врска влијае на обликот на молекулите на супстанциите, нивните големини, меѓуатомските растојанија, аголот на врската, т.е., геометријата на молекулите.
Поцелосна слика за обликот на молекулите на органски и неоргански материи може да се формира врз основа на хипотезата за хибридизација на атомските орбитали. Тоа беше предложено од L. Pauling (САД) за да се објасни она што е воспоставено со користење физички методистудии на супстанции, фактот за еквивалентноста на сите хемиски врски и нивниот симетричен распоред во однос на центарот на молекулите CH 4, BF 3, BeCl 2. Во секој случај, формирањето на σ врски од централниот атом (C, B, Be) треба да вклучи електрони лоцирани во различни држави(s и p), така што тие не би можеле да бидат еквивалентни. Се покажа дека теоријата не може да ги објасни фактите, се појави контрадикција, која беше решена со помош на нова хипотеза. Ова е еден од примерите што го покажува патот на развојот на човековото знаење за околниот свет, можноста за сè подлабоко навлегување во суштината на феноменот.
Се запознавте со хипотезата за хибридизација на атомските орбитали во текот органска хемијакористејќи го јаглеродниот атом како пример. Повторно да ве потсетиме на ова.
Кога се формира молекула на метан CH 4, јаглеродниот атом оди од основната состојба до возбудената:
Надворешниот електронски слој на возбудениот јаглероден атом содржи еден s-електрон и три неспарени p-електрони, кои формираат четири σ-врски со четири s-електрони на атоми на водород. Во овој случај, треба да се очекува дека три врски C--H формирани поради спарување на три p-електрони на јаглероден атом со три s-електрони од три водородни атоми (s-p σ врска) треба да се разликуваат од четвртата (s-s ) врска во силата, должината, насоката. Студијата за густината на електроните во молекулите на метанот покажува дека сите врски во неговата молекула се еквивалентни и насочени кон темињата на тетраедарот (сл. 10). Според хипотезата за хибридизација на атомските орбитали, четирите ковалентни врски на молекулата на метанот се формираат не со учество на „чисти“ s- и p-облаци на јаглеродниот атом, туку со учество на таканаречениот хибрид, т.е. , просечни, еквивалентни електронски облаци.
Ориз. 10. Модел со топка и стап на молекулата на метан
Според овој модел, бројот на хибридни атомски орбитали е еднаков на бројот на оригиналните „чисти“ орбитали. Соодветните хибридни облаци имаат поповолна геометриска форма од s- и p-облаците; нивната електронска густина е различно распределена, што обезбедува поцелосно преклопување со s-облаците од атоми на водород отколку што би било случај за „чистите“ s- и п-облаци.
Во молекулата на метан и во другите алкани, како и во сите молекули на органски соединенија, на местото на една врска, јаглеродните атоми се во состојба на хибридизација sp 3, т.е. кај јаглеродниот атом, еден s- и три p-атомските облаци претрпеа хибридизација и четири беа формирани идентични хибридни sp 3-атомски орбитали на облакот.
Како резултат на преклопување на соодветните четири хибридни sp 3 облаци на јаглеродниот атом со s облаците од четири атоми на водород, се формира тетраедрална молекула на метан со четири идентични σ врски лоцирани под агол од 109°28" (Сл. 11).
Ориз. единаесет.
Шеми на sp 3 хибридизација на валентни електронски облаци (а) и формирање на врски во молекула на метан (б)
Овој тип на атомска хибридизација и, следствено, тетраедарската структура ќе ги карактеризира и молекулите на соединенијата на јаглеродниот аналог - силициумот: SiH 4, SiCl 4.
За време на формирањето на молекулите на вода и амонијак, се јавува и sp 3 хибридизација на валентни атомски орбитали на атоми на кислород и азот. Меѓутоа, ако јаглеродниот атом ги има сите четири хибридни sp 3 облаци окупирани од заеднички електронски парови, тогаш азотниот атом има еден облак sp 3 окупиран од осамен електронски пар, а атомот на кислород веќе има два облаци sp 3 окупирани од нив (сл. 12).
Ориз. 12.
Форми на молекули на амонијак, вода и водород флуорид
Присуството на осамени електронски парови доведува до намалување на аглите на врската (Табела 8) во споредба со тетраедарските (109°28").
Табела 8
Врска помеѓу бројот на осамени електронски парови и аголот на врската во молекулите
sp 3 -Хибридизацијата е забележана не само за атомите во сложените супстанции, туку и за атомите во едноставни материи. На пример, во атоми на таква алотропна модификација на јаглерод како дијамант.
Во молекулите на некои борни соединенија се одвива sp 2 хибридизација на валентни атомски орбитали на атомот на бор.
За атом на бор во возбудена состојба, една s- и две p-орбитали учествуваат во хибридизацијата, што резултира со формирање на три sp 2 хибридни орбитали; оските на соодветните хибридни облаци се наоѓаат во рамнината под агол од 120 ° еден на друг (сл. 13).
Ориз. 13.
Шеми на 8р 2 -хибридизација и локација на сп 2 -облаци во просторот
Затоа, молекулите на таквите соединенија, на пример BF3, имаат облик на рамен триаголник (сл. 14).
Ориз. 14.
Структура на молекулата BF3
ВО органски соединенија, како што знаете, хибридизацијата sp 2 е карактеристична за атомите на јаглерод во молекулите на алкен на местото на двојната врска, што ја објаснува рамнината структура на овие делови од молекулите, како и молекулите на диените и арените. sp 2 -Хибридизација е забележана и кај јаглеродните атоми и во таква алотропна модификација на јаглеродот како што е графитот.
Во молекулите на некои соединенија на берилиум се забележува sp хибридизација на валентните орбитали на атомот на берилиум во возбудена состојба.
Два хибридни облаци се ориентирани еден кон друг под агол од 180° (сл. 15), и затоа молекулата на берилиум хлорид BeCl 2 има линеарна форма.
Ориз. 15.
Шеми на сп-хибридизација и локација на сп-облаците во вселената
Сличен тип на хибридизација на атомските орбитали постои за јаглеродните атоми во алкините - јаглеводороди од серијата ацетилен - на местото на тројната врска.
Оваа хибридизација на орбиталите е карактеристична за јаглеродните атоми во друга од неговите алотропни модификации - карбин:
Во табела 9 се прикажани типовите на геометриски конфигурации на молекулите што одговараат на одредени типови на хибридизација на орбиталите на централниот атом А, земајќи го предвид влијанието на бројот на слободни (неврзувачки) електронски парови.
Табела 9
Соодветни геометриски конфигурации на молекули разни видовихибридизација на надворешните електронски орбитали на централниот атом
Прашања и задачи за § 7
- Во молекулите на водородни соединенија на јаглерод, азот и кислород, чии формули се CH 4, NH 3 и H 2 O, валентните орбитали на централните неметални атоми се во состојба на хибридизација sp 3, но врската аглите помеѓу врските се различни - 109°28" 107°30" и 104°27" соодветно. Како може да се објасни ова?
- Зошто графитот е електрично спроводлив, а дијамантот не?
- Каква геометриска форма ќе имаат молекулите на два флуориди - бор и азот (BF 3 и NF 3, соодветно)? Дајте образложен одговор.
- Молекулата на силициум флуорид SiF 4 има тетраедрална структура, а молекулата на бром хлорид BCl 3 има форма на триаголник - рамна. Зошто?