Всего на сайте:
248 тыс. 773 статей

Главная | Химия

Гибридизация атомных орбиталей  Просмотрен 2142

Гибридизацией называется гипотетический процесс смешения различного типа, но близких по энергии атомных орбиталей данного атома с возникновением того же числа новых (гибридных[7]) орбиталей, одинаковых по энергии и форме.

Гибридизация атомных орбиталей происходит при образовании ковалентной связи между атомами.

Гибридные орбитали имеют форму объёмной несимметричной восьмёрки, сильно вытянутой в одну сторону от атомного ядра:

 

 

Такая форма обусловливает более сильное, чем в случае чистых атомных орбиталей, перекрывание гибридных орбиталей атома с орбиталями других атомов и приводит к образованию более прочных связей. Поэтому энергия, затрачиваемая на гибридизацию, с избытком компенсируется выделением энергии за счёт образования более прочных ковалентных связей с участием гибридных атомных орбиталей. Название гибридных орбиталей определяется числом и типом участвующих в гибридизации атомных орбиталей, например: sp-, sp2-, sp3-, sp2d-, spзd2-гибридизация.

Число гибридных орбиталей равно суммарному числу исходных атомных орбиталей.

 

Направленность гибридных атомных орбиталей в пространстве, а следова­тельно, и геометрия молекулы зависят от типа гибридизации. На практике обычно решается обратная задача: вначале экспери­ментально устанавливается геометрия молекул, после чего описываются тип и форма атомных орбиталей, участвующих в её образовании.

 

sp-Гибридизация.Два гибридных sp-облака в результате взаимного отталкивания располагаются относительно ядра атома таким образом, что угол между ними составляет 180° (рис. 7).

 

 

Рис. 7. Взаимное расположение в пространстве двух sp-орбиталей одного атома: а — поверхности, охватывающие области пространства, где вероятность пребывания электрона составляет 90%; б — условное изображение.

 

 

В результате такого расположения гибридных облаков молекулы состава АХ2, где А является центральным атомом, имеют линейную конфигурацию, то есть связи ядер всех взаимодействующих атомов располагаются на одной прямой. Например, находятся в состоянии sp-гибридизации валентные электронные орбитали атома бериллия в линейной молекуле ВеС12 (рис. 8). Ли­нейную конфигурацию вследствие sp-гибридизации валентных электронных орбиталей имеют также молекулы ВеВг2, Ве(СН3)2, ZnCl2, CO2 и ряд других.

 

 

Рис. 8. Трёхатомная линейная моле­кула в газообразном хлориде бериллия ВеС12: 1 — Зр-орбиталь атома Cl; 2 — две sp-гибрид­ные орбиталь атома Be

 

2-Гибридизация.Рассмотрим гибридизацию одной s-opбитали и двух р-орбиталей. В этом случае в результате линейной комбинации трёх исходных орбиталей возникают три гибридные 2-орбитали. Они располагаются в одной плоскости под углом 120° друг к другу (рис.

9). 2-Гибридизация характерна для многих соединений бора, который, как было показано выше, имеет в возбуждённом состоянии три неспаренных электрона: один s- и два р-электрона. При перекрывании 2-орбиталей атома бора с орбиталями других атомов образуются три ковалентные связи, равноценные по длине и энергии. Молекулы, в которых валентные орбитали центрального атома находятся в состоянии 2-гибридизации, имеют форму плоского треугольника. Углы между связями равны 120°. В состоянии 2-гибридизации находятся валентные орбитали атомов бора в молекулах BF3, BC13, атомов углерода и азота в анионах СО32-, NO3-.

 

Рис. 9. Взаимное расположение в пространстве трёх 2-гибридных орбиталей.

3-Гибридизация.Очень большое распространение имеют молекулы, в которых центральный атом содержит четыре 3-орбитали, образующиеся в результате линейной комбина­ции одной s-орбитали и трёх р-орбиталей. Четыре 3-орбитали располагаются под углом 109,28′ друг к другу. Они направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится ядро атома (рис. 10 а).

Образование четырёх равноценных ковалентных связей за счёт перекрывания 3-орбиталей с орбиталями других атомов характерно для атома углерода (СН4, CF4, CC14), что очень важно в органической химии. Тетраэдрическую структуру имеют также молекулы других соединений элементов IVA–группы: SiH4, GeH4, SiF4, SiBr4, GeCl4 и т. п.

 

 

Рис. 10. Влияние несвязывающих электронных пар на геометрию молекул:

a – метан, несвязывающих электронных пар нет;

б — аммиак, одна несвязывающая электронная пара;

в — вода, две несвязывающие пары

 

Неподелённые электронные пары гибридных орбиталей.

Во всех рассмотренных примерах гибридные орбитали были заселены неспаренными электронами. Однако нередки случаи, когда гибридная орбиталь занята несвязывающей электронной парой. Это оказывает влияние на геометрию молекул. Поскольку несвязывающая электронная пара испытывает воздействие ядра только своего атома, а связывающие пары находятся под действием двух ядер, несвязывающая электронная пара находится ближе к ядру, чем связывающие. В результате этого несвязывающая электронная пара сильнее отталкивает связывающие электронные пары, чем те отталкивают друг друга. Графически для наглядности большую отталкивающую силу, действующую между несвязывающей электронной парой и связывающими электронными парами, можно изобразить большим по объёму электронным облаком несвязывающей пары. Несвязывающая электронная пара имеется, например, у атома азота в молекуле аммиака (рис. 10 б). В результате взаимодействия со связывающими парами углы между связями Н—N—Н сокращаются до 107,78° по сравнению со 109,5°, характерными для правильного тетраэдра.

Ещё большее отталкивание испытывают связывающие элек­тронные пары в молекуле воды, где у атома кислорода имеются две несвязывающие электронные пары. В результате этого угол Н—О—Н в молекуле воды равен 104,5° (рис. 10 в).

Если несвязывающая электронная пара в результате образования донорно-акцепторной связи превращается в связывающую, то силы отталкивания между этой новой связью и другими связями в молекуле становятся одинаковыми, выравниваются и углы между связями. Это происходит, например, при образовании катиона аммония из молекулы аммиака.

Участие в гибридизации d-орбиталей.Если энергии орбиталей одного из d-подуровней атома не очень сильно отличаются от энергий s- и р-орбиталей, то d-орбитали также могут участвовать в гибридизации. Самым распространённым типом гибридизации с участием d-орбиталей является sр3d2-гибридизация, в результате которой образуются шесть равноценных по форме и энергии гибридных облаков (рис. 11 а), расположенных под углом 90и направленных к вершинам октаэдра, в центре которого находится ядро атома. Октаэдр (рис.

11 б) правильный восьмигранник. Все рёбра в нём равной длины, все грани — правильные треугольники.

 

 

Рис.11. sр3d2-Гибридизация

 

Реже встречается sр3d-гибридизация, в результате которой образуются пять гибридных облаков (рис. 12 а), направленных к вершинам тригональной бипирамиды (рис. 12 б).Тригональная бипирамида — это две равнобедренные пирамиды, соединённые общим основанием. Основание — правильный треугольник. Полужирными штрихами на рис. 12, отмечены ребра равной длины. Геометрически и энергетически sр3d-гибридные орбитали неравноценны: три экваториаль­ные орбитали направлены к вершинам треугольника, а две аксиальные — вверх и вниз перпендикулярно плоскости треугольника (рис. 12в). Углы между экваториальными орбиталями равны 120°, как при sр2-гибридизации. Углы между аксиальной и любой из экваториальных орбиталей имеют другую градусную меру, они равны 90°. Соответственно этому ковалентные связи, которые образуются с участием экваториальных орбиталей отличаются по длине и по энергии от связей, в образовании которых участвуют аксиальные орбитали. Например, в молекуле РС15 аксиальные связи имеют длину 214 пм, а длина экваториальных связей 202 пм.

 

 

Рис. 12. sр3d-Гибридизация

Таким образом, рассматривая ковалентные связи между ато­мами как результат взаимодействия АО, можно объяснить форму возникающих при этом частиц, которая зависит от числа и типа АО, участвующих в образовании связей. Концепцию гибридизации АО, необходимо понимать, что гибридизация представляет собой условный приём, позволяющий наглядно объяснить структуру молекулы посредством комбинации АО.


Предыдущая статья:Направленность Следующая статья:Полярность
page speed (0.0159 sec, direct)