Mga uri ng hybridization. Hybridization ng mga orbital ng elektron at geometry ng mga molekula

Hybridization atomic orbitals- isang proseso na nagbibigay-daan sa iyong maunawaan kung paano binabago ng mga atom ang kanilang mga orbital kapag nabuo ang mga compound. Kaya, ano ang hybridization, at anong mga uri nito ang umiiral?

Pangkalahatang katangian ng hybridization ng atomic orbitals

Ang atomic orbital hybridization ay isang proseso kung saan pinaghalo ang iba't ibang orbital ng gitnang atom, na nagreresulta sa pagbuo ng mga orbital ng parehong mga katangian.

Ang hybridization ay nangyayari sa panahon ng pagbuo ng isang covalent bond.

Ang hybrid na orbital ay may anyo ng isang infinity sign o isang asymmetric inverted figure eight, na pinalawak ang layo mula sa atomic nucleus. Ang form na ito ay nagdudulot ng mas malakas na overlap ng mga hybrid na orbital na may mga orbital (puro o hybrid) ng iba pang mga atom kaysa sa kaso ng mga purong atomic orbital at humahantong sa pagbuo ng mas malakas na covalent bond.

kanin. 1. Hybrid orbital na hitsura.

Sa kauna-unahang pagkakataon, ang ideya ng hybridization ng mga atomic orbital ay iniharap ng Amerikanong siyentipiko na si L. Pauling. Naniniwala siya na ang isang atom na pumapasok sa isang chemical bond ay may iba't ibang atomic orbitals (s-, p-, d-, f-orbitals), pagkatapos ay ang hybridization ng mga orbital na ito ay nangyayari bilang isang resulta. Ang kakanyahan ng proseso ay ang mga atomic na orbital na katumbas ng bawat isa ay nabuo mula sa iba't ibang mga orbital.

Mga uri ng hybridization ng atomic orbitals

Mayroong ilang mga uri ng hybridization:

. Ang ganitong uri ng hybridization ay nangyayari kapag ang isang s-orbital at isang p-orbital ay naghalo. Bilang resulta, dalawang ganap na sp-orbital ang nabuo. Ang mga orbital na ito ay matatagpuan sa atomic nucleus sa paraang ang anggulo sa pagitan ng mga ito ay 180 degrees.

kanin. 2. sp hybridization.

sp2 hybridization. Ang ganitong uri ng hybridization ay nangyayari kapag naghalo ang isang s-orbital at dalawang p-orbital. Bilang resulta, nabuo ang tatlong hybrid na orbital, na matatagpuan sa parehong eroplano sa isang anggulo ng 120 degrees sa bawat isa.
. Ang ganitong uri ng hybridization ay nangyayari kapag naghalo ang isang s-orbital at tatlong p-orbital. Bilang resulta, apat na ganap na sp3 orbital ang nabuo. Ang mga orbital na ito ay nakadirekta sa tuktok ng tetrahedron at matatagpuan sa isang anggulo na 109.28 degrees sa bawat isa.

Ang sp3 hybridization ay katangian ng maraming elemento, halimbawa, ang carbon atom at iba pang grupong IVA substance (CH 4, SiH 4, SiF 4, GeH 4, atbp.)

kanin. 3. sp3 hybridization.

Ang mas kumplikadong mga uri ng hybridization na kinasasangkutan ng mga d-orbital ng mga atom ay posible rin.

Ano ang natutunan natin?

Ang hybridization ay kumplikado proseso ng kemikal kapag ang iba't ibang mga orbital ng isang atom ay bumubuo ng parehong (katumbas) na mga hybrid na orbital. Ang unang nagpahayag ng teorya ng hybridization ay ang American L. Pauling. Mayroong tatlong pangunahing uri ng hybridization: sp hybridization, sp2 hybridization, sp3 hybridization. Mayroon ding mga mas kumplikadong uri ng hybridization na kinasasangkutan ng mga d-orbital.

Ang isa sa mga gawain ng kimika ay ang pag-aaral ng istraktura ng bagay, kabilang ang pagpapaliwanag ng mekanismo para sa pagbuo ng iba't ibang mga compound mula sa mga simpleng sangkap na nabuo ng mga atomo ng isa. elemento ng kemikal. Ang mga tampok ng pakikipag-ugnayan ng mga atomo, mas tiyak, ang kanilang magkasalungat na sisingilin na mga bahagi - mga shell ng elektron at nuclei - ay inilarawan bilang iba't ibang uri ng mga bono ng kemikal. Kaya, ang mga sangkap ay nabuo sa pamamagitan ng isang covalent bond, para sa paglalarawan kung saan noong 1931 ang American chemist na si L. Pauling ay iminungkahi ng isang modelo ng hybridization ng atomic orbitals.

Ang konsepto ng isang covalent bond

Sa mga kasong iyon kapag, sa proseso ng pakikipag-ugnayan, ang pagbuo ng isang pares ng valence electron cloud na karaniwan sa dalawang atom ay nangyayari, nagsasalita sila ng isang covalent bond. Bilang resulta ng paglitaw nito, pinakamaliit na butil simple o kumplikadong sangkap - isang molekula.

Ang isa sa mga tampok ng isang covalent bond ay ang direksyon nito - isang kahihinatnan kumplikadong hugis electronic orbitals p, d at f, na, hindi nagtataglay ng spherical symmetry, ay may tiyak na spatial na oryentasyon. Isa pa mahalagang katangian ng ganitong uri ng chemical bond - saturation dahil sa limitadong bilang ng external - valence - clouds sa atom. Iyon ang dahilan kung bakit ang pagkakaroon ng isang molekula, halimbawa, H 2 O, ay posible, ngunit ang H 5 O ay hindi.

Mga uri ng covalent bond

Maaaring mangyari ang pagbuo ng mga pares ng electron iba't ibang paraan. Sa mekanismo ng pagbuo ng isang covalent bond mahalagang papel gumaganap ang kalikasan ng cloud overlap at ang spatial symmetry ng resultang cloud. Ayon sa pamantayang ito, iminungkahi ni L. Pauling na makilala ang mga sumusunod na uri:

Ang sigma bond (σ) ay nakikilala sa pamamagitan ng pinakamalaking antas ng overlap kasama ang axis na dumadaan sa atomic nuclei. Dito magiging maximum ang density ng ulap.
Ang pi bond (π) ay nabuo sa lateral overlap, at ang electron cloud, nang naaayon, ay may pinakamataas na density sa labas ng axis na kumukonekta sa nuclei.

Ang mga spatial na katangian na ito ay may malaking kahalagahan hangga't ang mga ito ay nauugnay sa mga parameter ng enerhiya ng covalent bond.

Mga tampok ng polyatomic molecule

Ang konsepto ng hybridization ay ipinakilala ni Pauling upang ipaliwanag ang isa sa mga tampok ng covalent bond sa polyatomic molecules. Ito ay kilala na ang mga bono na nabuo ng gitnang atom sa naturang mga molekula ay naging magkapareho sa mga tuntunin ng mga katangian ng spatial at enerhiya. Nangyayari ito anuman ang mga orbital (s, p o d) ang kasangkot sa pagbuo ng isang karaniwang pares ng elektron.

Napaka komportable at magandang halimbawa upang ilarawan ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay ang carbon atom. Kapag pumapasok sa isang kemikal na bono, ang isang atom sa isang nasasabik na estado ay may 4 na valence orbital: 2s, 2p x, 2p y at 2p z. Ang huling tatlo ay naiiba sa 2s orbital sa enerhiya at hugis. Gayunpaman, sa isang molekula, halimbawa, ng methane CH 4, lahat ng apat na bono ay ganap na katumbas at may mga anggulo ng bono na 109.5° (habang ang mga p-orbital ay matatagpuan sa mga anggulo na 90°). Sa iba pang mga carbon compound, ang mga anggulo ng bono na 120° at 180° ay nagaganap; sa mga molekula na naglalaman ng nitrogen (ammonia NH 3) at oxygen (tubig H 2 O), ang mga anggulong ito ay 107.5° at 104.5°. Ang paglitaw ng naturang mga anggulo ng bono ay nangangailangan din ng paliwanag.

Ang kakanyahan ng kababalaghan

Ang ideya ng hybridization ay upang bumuo ng mga average na orbital sa pamamagitan ng overlapping na mga ulap ng elektron iba't ibang uri na may malapit na mga halaga ng enerhiya - s, p, minsan d. Ang bilang ng mga resultang - hybrid - orbital ay tumutugma sa bilang ng mga nagsasapawan na ulap. Dahil ang isang orbital ay ang pagtukoy ng posibilidad na makahanap ng isang electron sa isang partikular na punto sa isang atom, ang isang hybrid na orbital ay isang superposisyon ng mga function ng wave na nangyayari bilang isang resulta ng mga elektronikong transition kapag ang isang atom ay nasasabik. Ito ay humahantong sa paglitaw ng mga katumbas na function ng wave na naiiba lamang sa direksyon.

Ang mga hybrid na orbital ay katumbas ng enerhiya at may parehong hugis sa anyo ng isang volume na walo, na may isang malakas na kawalaan ng simetrya na may paggalang sa nucleus. Mas kaunting enerhiya ang ginugugol sa hybridization kaysa sa inilabas sa panahon ng pagbuo ng isang malakas na covalent bond na may mga hybrid na orbital, kaya ang prosesong ito ay masigasig na kanais-nais, iyon ay, ang pinaka-malamang.

hybridization ng mga orbital at geometry ng mga molekula

Maaari iba't ibang mga pagpipilian overlapping (paghahalo) ng mga panlabas na ulap ng elektron sa isang atom. Ang pinakakaraniwan ay ang mga sumusunod na uri ng superposisyon ng mga orbital:

Sp 3 hybridization. Ang pagpipiliang ito ay natanto kapag ang isang s- at tatlong p-orbital ay nakapatong. Nagreresulta ito sa apat na hybrid na orbital, na ang mga axes ay nakadirekta para sa anumang pares sa mga anggulo na 109.5°, na tumutugma sa pinakamababang pag-repulsion ng mga electron sa isa't isa. Kapag ang mga orbital na ito ay pumasok sa σ-bond kasama ang iba pang mga atomo, isang molekula ng isang tetrahedral configuration ay nabuo, halimbawa, methane, ethane C 2 H 6 (isang kumbinasyon ng dalawang tetrahedra), ammonia, tubig. Sa molekula ng ammonia, isa, at sa molekula ng tubig, dalawa sa mga vertices ng tetrahedron ay inookupahan ng hindi nakabahaging mga pares ng elektron, na humahantong sa pagbaba sa anggulo ng bono.
Ang Sp 2 hybridization ay nangyayari kapag ang isa at dalawang p orbital ay pinagsama. Sa kasong ito, ang tatlong hybrid na orbital ay matatagpuan sa mga anggulo ng 120° sa parehong eroplano. Katulad hugis tatsulok may, halimbawa, mga molekula ng boron trichloride BCl 3, na ginagamit sa iba't ibang teknolohiya. Ang isa pang halimbawa - ang molekula ng ethylene - ay nabuo dahil sa isang karagdagang π-bond sa pagitan ng mga atomo ng carbon, kung saan ang isang p-orbital ay hindi hybrid at naka-orient na patayo sa eroplano na nabuo ng dalawang tatsulok.
Ang Sp hybridization ay nangyayari kapag ang one s at one p orbital mix. Dalawang hybrid na ulap ang matatagpuan sa isang anggulo na 180°, at ang molekula ay may linear na configuration. Ang mga halimbawa ay ang mga molekula ng beryllium chloride BeCl 2 o acetylene C 2 H 2 (sa huli, dalawang non-hybrid p-orbitals ng carbon ang bumubuo ng karagdagang π-bond).

Mayroon ding mas kumplikadong mga variant ng hybridization ng atomic orbitals: sp 3 d, sp 3 d 2 at iba pa.

Tungkulin ng modelo ng hybridization

Ang konsepto ni Pauling ay nagbibigay ng isang mahusay na paglalarawan ng husay ng istraktura ng mga molekula. Ito ay maginhawa at naglalarawan, at matagumpay na ipinapaliwanag ang ilan sa mga tampok ng mga covalent compound, tulad ng magnitude ng mga anggulo ng bono o ang pagkakahanay ng haba ng isang kemikal na bono. Gayunpaman, ang dami ng bahagi ng modelo ay hindi maituturing na kasiya-siya, dahil hindi nito pinapayagan ang maraming mahahalagang hula tungkol sa mga pisikal na epekto na nauugnay sa mga tampok na istruktura ng mga molekula, halimbawa, molecular photoelectron spectra, na magawa. Ang may-akda ng konsepto ng hybridization mismo ay napansin ang mga pagkukulang nito noong unang bahagi ng 1950s.

Gayunpaman, ang modelo ng hybridization ng atomic orbitals ay may mahalagang papel sa pagbuo ng mga modernong ideya tungkol sa istruktura ng bagay. Batay dito, mas sapat na mga konsepto ang binuo, halimbawa, ang teorya ng pagtanggi ng mga pares ng elektron. Samakatuwid, siyempre, ang modelo ng hybridization ay isang mahalagang yugto sa pagbuo ng teoretikal na kimika, at sa paglalarawan ng ilang mga aspeto ng elektronikong istraktura ng mga molekula, ito ay lubos na naaangkop sa kasalukuyang panahon.

Ginagawang posible ng paraan ng mga valence bond na biswal na ipaliwanag ang mga spatial na katangian ng maraming molekula. Gayunpaman, ang karaniwang ideya ng mga hugis ng mga orbital ay hindi sapat upang sagutin ang tanong kung bakit, kung ang gitnang atom ay may iba - s, p, d- valence orbitals, ang mga bono na nabuo nito sa mga molecule na may parehong mga substituent ay nagiging katumbas sa kanilang enerhiya at spatial na katangian. Noong ikadalawampu ng siglo XIX, iminungkahi ni Linus Pauling ang konsepto ng hybridization ng mga orbital ng elektron. Ang hybridization ay nauunawaan bilang isang abstract na modelo ng pagkakahanay ng mga atomic orbital sa hugis at enerhiya.

Ang mga halimbawa ng hugis ng mga hybrid na orbital ay ipinakita sa Talahanayan 5.

Talahanayan 5. Hybrid sp, sp 2 , sp 3 orbital

Ang konsepto ng hybridization ay maginhawang gamitin kapag ipinapaliwanag ang geometric na hugis ng mga molekula at ang laki ng mga anggulo ng bono (mga halimbawa ng mga gawain 2–5).

Algorithm para sa pagtukoy ng geometry ng mga molekula sa pamamagitan ng pamamaraan ng VS:

A. Tukuyin ang gitnang atom at ang bilang ng mga σ-bond na may mga terminal na atom.

b. Bumuo ng mga elektronikong pagsasaayos ng lahat ng mga atom na bumubuo sa molekula at mga graphic na larawan ng mga panlabas na antas ng elektroniko.

V. Ayon sa mga prinsipyo ng pamamaraan ng VS, ang pagbuo ng bawat bono ay nangangailangan ng isang pares ng mga electron, sa pangkalahatang kaso, isa mula sa bawat atom. Kung walang sapat na hindi magkapares na mga electron para sa gitnang atom, dapat itong ipagpalagay na ang atom ay nasasabik sa paglipat ng isa sa mga pares ng mga electron sa isang mas mataas na antas ng enerhiya.

d. Imungkahi ang pangangailangan at uri ng hybridization, na isinasaalang-alang ang lahat ng mga bono at, para sa mga elemento ng unang yugto, mga hindi magkapares na electron.

e. Batay sa mga konklusyon sa itaas, ilarawan ang mga elektronikong orbital (hybrid o hindi) ng lahat ng mga atom sa molekula at ang kanilang mga magkakapatong. Gumawa ng konklusyon tungkol sa geometry ng molekula at ang tinatayang halaga ng mga anggulo ng bono.

e. Tukuyin ang antas ng polarity ng bono batay sa mga halaga ng electronegativity ng mga atom (Talahanayan 6) Tukuyin ang pagkakaroon ng isang dipole moment batay sa lokasyon ng mga sentro ng grabidad ng mga positibo at negatibong singil at/o ang simetrya ng molekula.

Talahanayan 6. Mga halaga ng electronegativity ng ilang elemento ayon kay Pauling

Mga halimbawa ng gawain

Ehersisyo 1. Ilarawan ang chemical bond sa CO molecule gamit ang BC method.

Solusyon (fig.25)

A. Bumuo ng mga elektronikong pagsasaayos ng lahat ng mga atomo na bumubuo sa molekula.

b. Upang makabuo ng isang bono, kinakailangan na lumikha ng mga pares ng elektron sa lipunan

Figure 25. Scheme ng bond formation sa isang CO molecule (nang walang hybridization ng orbitals)

Konklusyon: Sa molekula ng CO mayroong isang triple bond C≡O

Para sa molekula ng CO, maaari nating ipagpalagay ang presensya sp-hybridization ng mga orbital ng parehong mga atomo (Larawan 26). Naka-on ang mga paired electron na hindi nakikilahok sa bond formation sp hybrid na orbital.

Figure 26. Scheme ng bond formation sa isang CO molecule (isinasaalang-alang ang hybridization ng mga orbital)

Gawain 2. Batay sa pamamaraan ng VS, imungkahi ang spatial na istraktura ng molekula ng BeH 2 at tukuyin kung ang molekula ay isang dipole.

Ang solusyon sa problema ay ipinakita sa Talahanayan 7.

Talahanayan 7. Pagpapasiya ng geometry ng BeH 2 molecule

	Electronic na pagsasaayos		Mga Tala
A.			Ang gitnang atom ay beryllium. Kailangan nitong bumuo ng dalawang ϭ-bond na may hydrogen atoms
b.	H: 1 s 1 Maging: 2 s 2		Ang hydrogen atom ay may isang hindi pares na elektron, ang beryllium atom ay mayroong lahat ng mga electron na ipinares, dapat itong ilipat sa isang nasasabik na estado
V.	H: 1 s 1 Maging*: 2 s 1 2p 1		Kung ang isang hydrogen atom ay nag-bond sa beryllium sa gastos ng 2 s-electron ng beryllium, at ang iba pa - dahil sa 2 p-electron ng beryllium, kung gayon ang molekula ay hindi magkakaroon ng simetrya, na kung saan ay masiglang hindi makatwiran, at ang Be–H na mga bono ay hindi magiging katumbas.
G.	H: 1 s 1 Maging*: 2( sp) 2		Dapat ipagpalagay na doon sp- hybridization
d.			Dalawa sp-Ang mga hybrid na orbital ay matatagpuan sa isang anggulo ng 180 °, ang molekula ng BeH 2 ay linear
e.		Electronegativity χ H = 2.1, χ Be = 1.5, samakatuwid ang bono ay covalent polar, ang density ng elektron ay inilipat sa hydrogen atom, isang maliit na negatibong singil δ– ang lilitaw dito. Sa beryllium atom δ+. Dahil ang mga sentro ng grabidad ng positibo at negatibong mga singil ay nag-tutugma (ito ay simetriko), ang molekula ay hindi isang dipole.

Ang katulad na pangangatwiran ay makakatulong upang ilarawan ang geometry ng mga molekula na may sp 2 - at sp 3 hybrid na orbital (Talahanayan 8).

Talahanayan 8. Geometry ng BF 3 at CH 4 na mga molekula

Gawain 3. Batay sa pamamaraan ng VS, imungkahi ang spatial na istraktura ng molekula ng H 2 O at tukuyin kung ang molekula ay isang dipole. Mayroong dalawang posibleng solusyon, ipinakita ang mga ito sa talahanayan 9 at 10.

Talahanayan 9. Pagpapasiya ng geometry ng H 2 O molecule (nang walang orbital hybridization)

	Electronic na pagsasaayos	Graphical na representasyon ng mga panlabas na antas ng orbital	Mga Tala
A.
b.	H: 1 s 1O:2 s 2 2p 4
V.			Mayroong sapat na mga electron na hindi magkapares upang makabuo ng dalawang ϭ-bond na may mga atomo ng hydrogen.
G.			maaaring mapabayaan ang hybridization.
d.
e.

Kaya, ang isang molekula ng tubig ay dapat magkaroon ng isang anggulo ng bono na humigit-kumulang 90°. Gayunpaman, ang anggulo sa pagitan ng mga bono ay humigit-kumulang 104°.

Ito ay maaaring ipaliwanag

1) pagtanggi ng malapit na pagitan ng mga atomo ng hydrogen.

2) Hybridization ng mga orbital (Talahanayan 10).

Talahanayan 10. Pagpapasiya ng geometry ng molekula ng H 2 O (isinasaalang-alang ang hybridization ng mga orbital)

	Electronic na pagsasaayos	Graphical na representasyon ng mga panlabas na antas ng orbital	Mga Tala
A.			Ang gitnang atom ay oxygen. Kailangan nitong bumuo ng dalawang ϭ-bond na may hydrogen atoms.
b.	H: 1 s 1O:2 s 2 2p 4		Ang hydrogen atom ay may isang hindi magkapares na elektron, ang oxygen atom ay may dalawang hindi magkapares na mga electron.
V.			Ang hydrogen atom ay may isang hindi magkapares na elektron, ang oxygen atom ay may dalawang hindi magkapares na mga electron.
G.			Ang isang anggulo ng 104° ay nagmumungkahi ng presensya sp 3 - hybridization.
d.			Dalawa sp Ang 3-hybrid orbitals ay matatagpuan sa isang anggulo na humigit-kumulang 109°, ang H 2 O molekula ay malapit sa isang tetrahedron sa hugis, ang pagbaba sa anggulo ng bono ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng impluwensya ng isang electron non-bonding pares.
e.		Electronegativity χ H = 2.1, χ O = 3.5, samakatuwid ang bono ay covalent polar, ang densidad ng elektron ay inililipat sa oxygen atom, isang maliit na negatibong singil 2δ– ang lilitaw dito. Sa hydrogen atom δ+. Dahil ang mga sentro ng grabidad ng positibo at negatibong mga singil ay hindi nagtutugma (ito ay hindi simetriko), ang molekula ay isang dipole.

Ang katulad na pangangatwiran ay ginagawang posible na ipaliwanag ang mga anggulo ng bono sa molekula ng ammonia NH 3 . Ang hybridization na kinasasangkutan ng hindi nakabahaging mga pares ng elektron ay karaniwang ipinapalagay lamang para sa mga orbital ng mga atom ng mga elemento ng panahon II. Ang mga anggulo ng bono sa mga molekula H 2 S = 92°, H 2 Se = 91°, H 2 Te = 89°. Ang parehong ay sinusunod sa serye NH 3 , РH 3 , AsH 3 . Kapag inilalarawan ang geometry ng mga molekulang ito, ang isang tradisyonal ay hindi gumagamit ng konsepto ng hybridization o nagpapaliwanag ng pagbaba sa anggulo ng tetrahedral sa pamamagitan ng pagtaas ng impluwensya ng nag-iisang pares.

Hybridization ng atomic orbitals at ang geometry ng mga molekula

Isang mahalagang katangian Molekyul na may higit sa dalawang atom ay nito geometric na pagsasaayos. Natutukoy ito sa pamamagitan ng magkaparehong pag-aayos ng mga atomic na orbital na kasangkot sa pagbuo ng mga bono ng kemikal.

Ang pag-overlay ng mga ulap ng elektron ay posible lamang sa isang tiyak na oryentasyon ng mga ulap ng elektron; sa kasong ito, ang overlap na rehiyon ay matatagpuan sa isang tiyak na direksyon na may paggalang sa mga nakikipag-ugnayan na mga atomo.

Talahanayan 1 Hybridization ng mga orbital at spatial na pagsasaayos ng mga molekula

Ang excited na beryllium atom ay may configuration na 2s 1 2p 1 , ang excited boron atom - 2s 1 2p 2 at ang excited na carbon atom - 2s 1 2p 3 . Samakatuwid, maaari nating ipagpalagay na hindi pareho, ngunit ang iba't ibang mga atomic orbital ay maaaring lumahok sa pagbuo ng mga bono ng kemikal. Halimbawa, sa mga compound tulad ng BeCl 2 , BeCl 3 , CCl 4 dapat mayroong mga bono ng hindi pantay na lakas at direksyon, at ang mga σ-bond mula sa mga p-orbital ay dapat na mas malakas kaysa sa mga bono mula sa mga s-orbital, dahil para sa p-orbitals marami pa kanais-nais na mga kondisyon para sa overlapping. Gayunpaman, ipinapakita ng karanasan na sa mga molekula na naglalaman ng mga gitnang atomo na may iba't ibang mga orbital ng valence (s, p, d), lahat ng mga bono ay katumbas. Ang paliwanag dito ay ibinigay nina Slater at Pauling. Dumating sila sa konklusyon na ang iba't ibang mga orbital, na hindi masyadong naiiba sa enerhiya, ay bumubuo ng katumbas na bilang ng mga hybrid na orbital. Ang mga hybrid (halo-halong) orbital ay nabuo mula sa iba't ibang atomic orbitals. Ang bilang ng mga hybrid na orbital ay katumbas ng bilang ng mga atomic na orbital na kasangkot sa hybridization. Ang mga hybrid na orbital ay pareho sa hugis ng electron cloud at sa enerhiya. Kung ikukumpara sa mga atomic orbital, mas pinahaba ang mga ito sa direksyon ng pagbuo ng mga bono ng kemikal at samakatuwid ay nagiging sanhi ng mas mahusay na pagsasanib ng mga ulap ng elektron.

Ang hybridization ng atomic orbitals ay nangangailangan ng enerhiya, kaya ang hybrid orbitals sa isang nakahiwalay na atom ay hindi matatag at malamang na maging purong AO. Kapag nabuo ang mga bono ng kemikal, ang mga hybrid na orbital ay nagpapatatag. Dahil sa mas malakas na mga bono na nabuo ng mga hybrid na orbital, mas maraming enerhiya ang inilabas mula sa system at samakatuwid ang sistema ay nagiging mas matatag.

Ang sp hybridization ay nangyayari, halimbawa, sa pagbuo ng Be, Zn, Co, at Hg (II) halides. Sa valence state, lahat ng metal halides ay naglalaman ng s at p-unpaired na mga electron sa kaukulang antas ng enerhiya. Kapag nabuo ang isang molekula, ang isang s- at isang p-orbital ay bumubuo ng dalawang hybrid na sp-orbital sa isang anggulo na 180 o.

Fig.3 sp hybrid na orbital

Ipinapakita ng data ng eksperimento na ang lahat ng Be, Zn, Cd at Hg(II) halides ay linear at ang parehong mga bono ay may parehong haba.

sp 2 hybridization

Bilang resulta ng hybridization ng isang s-orbital at dalawang p-orbital, tatlong hybrid sp 2 orbitals ang nabuo, na matatagpuan sa parehong eroplano sa isang anggulo na 120° sa bawat isa. Ito ay, halimbawa, ang pagsasaayos ng molekula ng BF 3:

Fig.4 sp 2 hybridization

sp 3 hybridization

Ang sp 3 hybridization ay katangian ng mga carbon compound. Bilang resulta ng hybridization ng isang s-orbital at tatlo

p-orbitals, apat na hybrid sp 3 -orbitals ang nabuo, na nakadirekta sa vertices ng tetrahedron na may anggulo sa pagitan ng mga orbital na 109.5 o. Ang hybridization ay nagpapakita ng sarili sa kumpletong pagkakapareho ng mga bono ng carbon atom sa iba pang mga atomo sa mga compound, halimbawa, sa CH 4, CCl 4, C (CH 3) 4, atbp.

Fig.5 sp 3 hybridization

Kung ang lahat ng mga hybrid na orbital ay nakatali sa parehong mga atomo, kung gayon ang mga bono ay hindi naiiba sa bawat isa. Sa ibang mga kaso, nangyayari ang maliliit na paglihis mula sa karaniwang mga anggulo ng bono. Halimbawa, sa isang molekula ng tubig H 2 O oxygen - sp 3 -hybrid, ay matatagpuan sa gitna ng isang hindi regular na tetrahedron, sa mga vertices kung saan ang dalawang hydrogen atoms at dalawang nag-iisang pares ng mga electron ay "tumingin" (Fig. 2). Ang hugis ng molekula ay angular, kung titingnan mo ang mga sentro ng mga atomo. Ang anggulo ng bono ng HOH ay 105°, na medyo malapit sa teoretikal na halaga ng 109°.

Fig.6 sp 3 hybridization ng oxygen at nitrogen atoms sa mga molekula a) H 2 O at b) NCl 3.

Kung walang hybridization ("alignment" ng mga O-H bonds), ang anggulo ng HOH bond ay magiging 90°, dahil ang mga hydrogen atoms ay ikakabit sa dalawang mutually perpendicular p-orbitals. Sa kasong ito, maaaring magmukhang ganap na iba ang ating mundo.

Ipinapaliwanag ng teorya ng hybridization ang geometry ng molekula ng ammonia. Bilang resulta ng hybridization ng 2s at tatlong 2p nitrogen orbitals, apat na sp 3 hybrid orbitals ang nabuo. Ang pagsasaayos ng molekula ay isang distorted tetrahedron, kung saan ang tatlong hybrid na orbital ay lumahok sa pagbuo ng isang kemikal na bono, at ang ikaapat na may isang pares ng mga electron ay hindi. anggulo sa pagitan N-H bond hindi katumbas ng 90 o tulad ng sa isang pyramid, ngunit hindi katumbas ng 109.5 o, na katumbas ng isang tetrahedron.

Fig.7 sp 3 - hybridization sa molekula ng ammonia

Kapag ang ammonia ay nakikipag-ugnayan sa isang hydrogen ion, ang isang ammonium ion ay nabuo bilang isang resulta ng pakikipag-ugnayan ng donor-acceptor, ang pagsasaayos nito ay isang tetrahedron.

Ipinapaliwanag din ng hybridization ang pagkakaiba sa anggulo sa pagitan O-H bond sa isang sulok na molekula ng tubig. Bilang resulta ng hybridization ng 2s at tatlong 2p oxygen orbitals, apat na sp 3 hybrid orbitals ang nabuo, kung saan dalawa lamang ang kasangkot sa pagbuo ng isang kemikal na bono, na humahantong sa isang pagbaluktot ng anggulo na tumutugma sa tetrahedron.

Fig.8 sp 3 hybridization sa isang molekula ng tubig

Maaaring kabilang sa hybridization hindi lamang ang s- at p-, kundi pati na rin ang d- at f-orbitals.

Sa sp 3 d 2 hybridization, 6 na katumbas na ulap ang nabuo. Ito ay sinusunod sa mga compound tulad ng 4-, 4-. Sa kasong ito, ang molekula ay may pagsasaayos ng isang octahedron:

kanin. 9 d 2 sp 3 -hybridization sa ion 4-

Ang mga ideya tungkol sa hybridization ay ginagawang posible na maunawaan ang mga naturang tampok ng istraktura ng mga molekula na hindi maipaliwanag sa anumang iba pang paraan.

Ang hybridization ng atomic orbitals (AO) ay humahantong sa isang paglilipat ng electron cloud sa direksyon ng pagbuo ng bono sa iba pang mga atom. Bilang resulta, ang mga nagsasapawan na rehiyon ng mga hybrid na orbital ay lumalabas na mas malaki kaysa sa mga purong orbital, at ang lakas ng bono ay tumataas.

Ang covalent bond ay pinaka-karaniwan sa mundo ng mga organikong sangkap, ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng saturation, polarizability at oryentasyon sa espasyo.

Ang saturation ng isang covalent bond ay ang bilang ng mga karaniwang pares ng elektron na maaaring mabuo ng isang atom ay limitado. Dahil dito, ang mga covalent compound ay may mahigpit na tinukoy na komposisyon. Samakatuwid, halimbawa, mayroong H 2 , N 2 , CH 4 molecules, ngunit walang H 3 , N 4 , CH 5 molecules.

Ang polarizability ng isang covalent bond ay nakasalalay sa kakayahan ng mga molekula (at mga indibidwal na mga bono sa kanila) na baguhin ang kanilang polarity sa ilalim ng pagkilos ng isang panlabas. electric field- upang polarize.

Bilang resulta ng polariseysyon, ang mga non-polar na molekula ay maaaring maging polar, at ang mga polar ay maaaring maging mas polar, hanggang sa kumpletong pagkasira ng mga indibidwal na bono sa pagbuo ng mga ion:

Ang oryentasyon ng covalent bond ay dahil sa ang katunayan na ang p-, d- at f-clouds ay nakatuon sa espasyo sa isang tiyak na paraan. Ang direksyon ng covalent bond ay nakakaapekto sa hugis ng mga molekula ng mga sangkap, ang kanilang mga sukat, interatomic na distansya, anggulo ng valence, ibig sabihin, ang geometry ng mga molekula.

Ang isang mas kumpletong larawan ng hugis ng mga molekula ng mga organic at inorganic na sangkap ay maaaring gawin batay sa hypothesis ng hybridization ng atomic orbitals. Iminungkahi ni L. Pauling (USA) na ipaliwanag kung ano ang itinatag sa tulong ng pisikal na pamamaraan pag-aaral ng mga sangkap ng katotohanan ng pagkakapareho ng lahat ng mga bono ng kemikal at ang kanilang simetriko na pag-aayos na may kaugnayan sa gitna ng mga molekula ng CH 4, BF 3, BeCl 2. Ang pagbuo ng mga σ-bond sa bawat kaso mula sa gitnang atom (C, B, Be) ay dapat na may kinalaman sa mga electron na matatagpuan sa iba't ibang estado(s at p), kaya hindi sila maaaring maging katumbas. Ang teorya ay naging hindi maipaliwanag ang mga katotohanan, isang kontradiksyon ang lumitaw, na nalutas sa tulong ng isang bagong hypothesis. Ito ay isa sa mga halimbawa na nagpapakita ng paraan ng pag-unlad ng kaalaman ng tao sa nakapaligid na mundo, ang posibilidad ng mas malalim na pagtagos sa kakanyahan ng mga phenomena.

Nakilala mo ang hypothesis ng hybridization ng atomic orbitals sa kurso organikong kimika gamit ang carbon atom bilang isang halimbawa. Recall this again.

Kapag nabuo ang methane molecule CH 4, ang carbon atom ay dumadaan mula sa ground state patungo sa isang excited:

Ang panlabas na layer ng electron ng isang excited na carbon atom ay naglalaman ng isang s- at tatlong hindi magkapares na p-electron, na bumubuo ng apat na σ-bond na may apat na s-electron ng hydrogen atoms. Sa kasong ito, dapat asahan na ang tatlong C--H bond na nabuo dahil sa pagpapares ng tatlong p-electron ng isang carbon atom na may tatlong s-electron ng tatlong hydrogen atoms (s-p σ-bond) ay dapat magkaiba sa ikaapat ( s-s) bono sa lakas , haba, direksyon. Ang isang pag-aaral ng densidad ng elektron sa mga molekula ng methane ay nagpapakita na ang lahat ng mga bono sa molekula nito ay katumbas at nakadirekta patungo sa mga vertices ng tetrahedron (Larawan 10). Ayon sa hypothesis ng hybridization ng atomic orbitals, apat na covalent bond ng isang methane molecule ang nabuo na may partisipasyon hindi ng "pure" s- at p-clouds ng carbon atom, ngunit kasama ang partisipasyon ng tinatawag na hybrid, i.e. , katamtaman, katumbas na mga ulap ng elektron.

kanin. 10. Ball-and-stick na modelo ng methane molecule

Ayon sa modelong ito, ang bilang ng mga hybrid na atomic na orbital ay katumbas ng bilang ng orihinal na "purong" orbital. Ang katumbas na hybrid na ulap ay higit na kapaki-pakinabang sa geometriko kaysa sa s- at p-clouds, ang kanilang density ng elektron ay iba-iba, na nagbibigay ng mas kumpletong overlap sa mga s-cloud ng hydrogen atoms kaysa sa "purong" s- at p-clouds.

Sa isang molekula ng methane at sa iba pang mga alkanes, gayundin sa lahat ng mga molekula ng mga organikong compound, sa site ng isang solong bono, ang mga carbon atom ay nasa isang estado ng sp 3 hybridization, ibig sabihin, isang s- at tatlong p-atomic na ulap ang sumailalim sa hybridization sa carbon atom at apat na nabuo ang magkaparehong hybrid sp 3 atomic orbitals ng cloud.

Bilang resulta ng overlapping ng katumbas na apat na hybrid sp 3 -clouds ng carbon atom na may s-clouds ng apat na hydrogen atoms, nabuo ang isang tetrahedral methane molecule na may apat na magkaparehong σ-bond na matatagpuan sa isang anggulo na 109°28" ( Larawan 11).

kanin. labing-isa.
Mga scheme ng sp 3 hybridization ng valence electron clouds (a) at pagbuo ng mga bond sa isang methane molecule (b)

Ang ganitong uri ng hybridization ng mga atomo at, dahil dito, ang istraktura ng tetrahedral ay mailalarawan din ang mga molekula ng mga compound ng carbon analogue - silikon: SiH 4 , SiCl 4 .

Sa panahon ng pagbuo ng mga molekula ng tubig at ammonia, ang sp 3 hybridization ng valence atomic orbitals ng oxygen at nitrogen atoms ay nangyayari din. Gayunpaman, kung sa carbon atom ang lahat ng apat na hybrid na sp 3 na ulap ay inookupahan ng karaniwang mga pares ng elektron, kung gayon sa nitrogen atom ang isang sp 3 na ulap ay inookupahan ng isang hindi nakabahaging pares ng elektron, at sa oxygen atom ay sinasakop na nila ang dalawang sp 3 na ulap ( Larawan 12).

kanin. 12.
Mga hugis ng ammonia, tubig at mga molekula ng hydrogen fluoride

Ang pagkakaroon ng hindi nakabahaging mga pares ng elektron ay humahantong sa pagbaba sa mga anggulo ng bono (Talahanayan 8) kumpara sa mga pares ng tetrahedral (109°28").

Talahanayan 8
Ang ugnayan sa pagitan ng bilang ng mga nag-iisang pares ng elektron at ang anggulo ng bono sa mga molekula

sp 3 -Ang Hybridization ay sinusunod hindi lamang para sa mga atomo sa mga kumplikadong sangkap, kundi pati na rin para sa mga atomo sa mga simpleng sangkap. Halimbawa, ang mga atomo ng naturang allotropic modification ng carbon bilang brilyante.

Sa mga molekula ng ilang mga boron compound, nagaganap ang sp 2 hybridization ng valence atomic orbitals ng boron atom.

Para sa isang nasasabik na boron atom, ang isa at dalawang p orbital ay lumahok sa hybridization, na nagreresulta sa pagbuo ng tatlong sp 2 hybrid orbitals, ang mga axes ng kaukulang hybrid na ulap ay matatagpuan sa eroplano sa isang anggulo ng 120 ° sa bawat isa (Fig . 13).

kanin. 13.
Mga scheme ng 8p 2 hybridization at pagsasaayos ng sp 2 clouds sa kalawakan

Samakatuwid, ang mga molekula ng naturang mga compound, halimbawa, BF3, ay may hugis ng isang patag na tatsulok (Larawan 14).

kanin. 14.
Ang istraktura ng molekula ng BF3

SA mga organikong compound, tulad ng alam mo, ang sp 2 hybridization ay katangian ng mga carbon atom sa mga molekula ng alkene sa double bond site, na nagpapaliwanag sa planar na istraktura ng mga bahaging ito ng mga molekula, pati na rin ang mga molekula ng diene at arene. sp 2 -Ang Hybridization ay sinusunod din sa mga atomo ng carbon at sa naturang allotropic na pagbabago ng carbon bilang graphite.

Ang sp hybridization ng valence orbitals ng beryllium atom sa excited na estado ay sinusunod sa mga molekula ng ilang beryllium compound.

Dalawang hybrid na ulap ang naka-orient na may kaugnayan sa isa't isa sa isang anggulo na 180° (Fig. 15), at samakatuwid ang beryllium chloride BeCl 2 molecule ay may linear na hugis.

kanin. 15.
Mga scheme ng sp-hybridization at pagsasaayos ng sp-clouds sa kalawakan

Ang isang katulad na uri ng hybridization ng atomic orbitals ay umiiral para sa mga carbon atoms sa alkynes - hydrocarbons ng acetylene series - sa site ng triple bond.

Ang ganitong hybridization ng mga orbital ay tipikal para sa mga carbon atoms sa isa pa sa mga allotropic modification nito - carbine:

Ipinapakita ng talahanayan 9 ang mga uri ng geometric na pagsasaayos ng mga molekula na naaayon sa ilang mga uri ng hybridization ng mga orbital ng gitnang atom A, na isinasaalang-alang ang impluwensya ng bilang ng mga libreng (non-bonding) na mga pares ng elektron.

Talahanayan 9
Mga geometric na pagsasaayos ng mga molekula na naaayon sa iba't ibang uri hybridization ng mga panlabas na orbital ng elektron ng gitnang atom

Mga tanong at gawain sa § 7

Sa mga molekula ng hydrogen compound ng carbon, nitrogen at oxygen, ang mga formula kung saan ay CH 4, NH 3 at H 2 O, ang mga valence orbital ng mga gitnang atomo ng mga non-metal ay nasa estado ng sp 3 hybridization, ngunit ang Ang mga anggulo ng bono sa pagitan ng mga bono ay magkakaiba - 109 ° 28 "107 ° 30" at 104 ° 27" ayon sa pagkakabanggit. Paano ito maipapaliwanag?
Bakit ang graphite ay electrically conductive at diamond ay hindi?
Anong geometric na hugis ang mayroon ang mga molekula ng dalawang fluoride - boron at nitrogen (BF 3 at NF 3 ayon sa pagkakabanggit)? Magbigay ng makatwirang sagot.
Ang molekula ng silicon fluoride na SiF 4 ay may istrukturang tetrahedral, at ang molekula ng bromine chloride BCl 3 ay tatsulok sa planar. Bakit?