Гибридизация атомных орбиталей и геометрия молекул

Важной характеристикой молекулы, состоящей более чем из двух атомов, является ее геометрическая конфигурация. Она определяется взаимным расположением атомных орбиталей, участвующих в образовании химических связей.

Перекрывание электронных облаков возможно только при определенной взаимной ориентации электронных облаков; при этом область перекрывания располагается в определенном направлении по отношению к взаимодействующим атомам.

Таблица 1 Гибридизация орбиталей и пространственная конфигурация молекул

Возбужденный атом бериллия имеет конфигурацию 2s 1 2p 1 , возбужденный атом бора - 2s 1 2p 2 и возбужденный атом углерода - 2s 1 2p 3 . Поэтому можно считать, что в образовании химических связей могут участвовать не одинаковые, а различные атомные орбитали. Например, в таких соединениях как BeCl 2 , BeCl 3 ,CCl 4 должны быть неравноценные по прочности и направлению связи, причем σ-связи из p-орбиталей должны быть более прочными, чем связи из s-орбиталей, т.к. для p-орбиталей имеются более благоприятные условия для перекрывания. Однако опыт показывает, что в молекулах, содержащих центральные атомы с различными валентными орбиталями (s, p, d), все связи равноценны. Объяснение этому дали Слейтер и Полинг. Они пришли к выводу, что различные орбитали, не сильно отличающиеся по энергиям, образуют соответствующее число гибридных орбиталей. Гибридные (смешанные) орбитали образуются из различных атомных орбиталей. Число гибридных орбиталей равно числу атомных орбиталей, участвующих в гибридизации. Гибридные орбитали одинаковы по форме электронного облака и по энергии. По сравнению с атомными орбиталями они более вытянуты в направлении образования химических связей и поэтому обусловливают лучшее перекрывание электронных облаков.

Гибридизация атомных орбиталей требует затрат энергии, поэтому гибридные орбитали в изолированном атоме неустойчивы и стремятся превратиться в чистые АО. При образовании химических связей гибридные орбитали стабилизируются. Вследствие более прочных связей, образованных гибридными орбиталями, из системы выделяется больше энергии, и поэтому система становится более стабильной.

sp–гибридизация имеет место, например, при образовании галогенидов Be, Zn, Co и Hg (II). В валентном состоянии все галогениды металлов содержат на соответствующем энергетическом уровне s и p-неспаренные электроны. При образовании молекулы одна s- и одна р-орбиталь образуют две гибридные sp-орбитали под углом 180 о.

Рис.3 sp-гибридные орбитали

Экспериментальные данные показывают, что все галогениды Be, Zn, Cd и Hg (II) линейны и обе связи имеют одинаковую длину.

sp 2 -гибридизация

В результате гибридизации одной s-орбитали и двух p-орбиталей образуются три гибридные sp 2 -орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120 о друг к другу. Такова, например, конфигурация молекулы BF 3:

Рис.4 sp 2 -гибридизация

sp 3 -гибридизация

sp 3 -гибридизация характерна для соединений углерода. В результате гибридизации одной s-орбитали и трех

р-орбиталей образуются четыре гибридные sp 3 -орбитали, направленные к вершинам тетраэдра с углом между орбиталями 109,5 о. Гибридизация проявляется в полной равноценности связей атома углерода с другими атомами в соединениях, например, в CH 4 , CCl 4 , C(CH 3) 4 и др.

Рис.5 sp 3 -гибридизация

Если все гибридные орбитали связаны с одинаковыми атомами, то связи ничем не отличаются друг от друга. В других случаях встречаются небольшие отклонения от стандартных валентных углов. Например, в молекуле воды H 2 O кислород - sp 3 -гибридный, находится в центре неправильного тетраэдра, в вершины которого "смотрят" два атома водорода и две неподеленные пары электронов (рис. 2). Форма молекулы угловая, если смотреть по центрам атомов. Валентный угол HОН составляет 105 о, что довольно близко к теоретическому значению 109 о.

Рис.6 sp 3 -гибридизация атомов кислорода и азота в молекулах а) H 2 O и б) NCl 3 .

Если бы не происходило гибридизации (“выравнивания” связей O-H), валентный угол HOH был бы равен 90°, потому что атомы водорода были бы присоединены к двум взаимно перпендикулярным р-орбиталям. В этом случае наш мир выглядел бы, вероятно, совершенно по-другому.

Теория гибридизации объясняет геометрию молекулы аммиака. В результате гибридизации 2s и трёх 2p орбиталей азота образуются четыре гибридные орбитали sp 3 . Конфигурация молекулы представляет из себя искажённый тетраэдр, в котором три гибридных орбитали участвуют в образовании химической связи, а четвёртая с парой электронов – нет. Углы между связями N-H не равны 90 о как в пирамиде, но и не равны 109,5 о, соответствующие тетраэдру.

Рис.7 sp 3 - гибридизация в молекуле аммиака

При взаимодействии аммиака с ионом водорода в результате донорно-акцепторного взаимодействия образуется ион аммония, конфигурация которого представляет собой тетраэдр.

Гибридизация объясняет также отличие угла между связями О-Н в угловой молекуле воды. В результате гибридизации 2s и трёх 2p орбиталей кислорода образуются четыре гибридных орбитали sp 3 , из которых только две участвуют в образовании химической связи, что приводит к искажению угла, соответсвующего тетраэдру.

Рис.8 sp 3 -гибридизация в молекуле воды

В гибридизацию могут включаться не только s- и р-, но и d- и f-орбитали.

При sp 3 d 2 -гибридизации образуется 6 равноценных облаков. Она наблюдается в таких соединениях как 4- , 4- . При этом молекула имеет конфигурацию октаэдра:

Рис. 9 d 2 sp 3 -гибридизация в ионе 4-

Представления о гибридизации дают возможность понять такие особенности строения молекул, которые не могут быть объяснены другим способом.

Гибридизация атомных орбиталей (АО) приводит к смещению электронного облака в направлении образования связи с другими атомами. В результате области перекрывания гибридных орбиталей оказываются больше, чем для чистых орбиталей и прочность связи увеличивается.

Поговорим о том, как определить тип гибридизации, а также рассмотрим геометрическое строение молекулы.

История появления термина

В начале двадцатого века Л. Полинглом была предложена теория геометрии молекул с ковалентной связью. В качестве основы для образования связи было взято перекрывание электронных облаков. Метод стали называть валентными связями. Как определять тип гибридизации атомов в соединениях? Автор теории предлагал учитывать смешивание гибридных орбиталей.

Определение

Для того чтобы понять, как определить тип гибридизации в соединениях, разберем, что обозначает этот термин.

Гибридизация представляет собой смешивание электронных орбиталей. Данный процесс сопровождается распределением в них энергии, изменением их формы. В зависимости от того, в каком количестве будут смешиваться s- и p-орбитали, тип гибридизации может быть различным. В органических соединениях атом углерода может существовать в состоянии sp, sp2, sp3. Есть и более сложные формы, в которых участвуют, помимо sp, d-орбитали.

Правила выявления в молекулах неорганических веществ

Выявить вариант гибридизации можно для соединений с ковалентной химической связью, имеющих тип АВп. А - основной атом, В - лиганд, п - число от двух и выше. В подобной ситуации в гибридизацию будут вступать только валентные орбитали главного атома.

Способы определения

Поговорим подробнее о том, как определить тип гибридизации. В химическом понимании данный термин предполагает изменение энергии и формы орбиталей. Наблюдается подобный процесс в тех случаях, когда для образования связи используют электроны, которые принадлежат различным типам.

Чтобы понять, как определить тип гибридизации, рассмотрим молекулу метана. Данное вещество является первым представителем гомологического ряда насыщенных (предельных) углеводородов. В пространстве молекула СН4 является тетраэдром. Единственный атом углерода образует с водородами связи, сходные по энергии и длине. Для того чтобы образовались такие гибридные облака, используются три р- и один эс-электрон.

Четыре облака смешиваются, и возникает четыре одинаковых (гибридных) вида, имеющих форму неправильной восьмерки. Называют такой тип гибридизации sp3. Все углеводороды, в составе которых только простые (одинарные) связи, характеризуются именно таким типом гибридизации атома углерода. Валентный угол составляет 109 градусов 28 минут.

Продолжим разговор о том, как определить тип гибридизации. Примеры ряда этилена дают представление о sp2-гибридизации. Например, в молекуле этилена из четырех в образовании химической связи используется только три. Оставшийся негибридный р-электрон уходит на образование двойной связи.

Ацетилен является простейшим представителем класса СпН2п-2. Особенностью этого класса углеводородов является наличие тройной связи. Из четырех валентных электронов углеродного атома только два меняют свою форму и энергию, становясь гибридными. Два оставшихся электрона принимают участие в образовании двух двойных связей, определяя ненасыщенный характер этого класса органических соединений.

Заключение

Рассматривая вопрос, касающийся для органических и для учитывают гибридизацию При этом происходит выравнивание их энергии и формы. Электрон, располагающийся вблизи ядра связанного атома, характеризуется совокупностью орбиталей, которые обладают одинаковым Информация о типе гибридизации дает возможность оценивать химические свойства вещества.

Гибридизация атомных орбиталей

Американский ученый Л. Полинг выдвинул идею о гибридизации атомных орбиталей. Согласно этой идее, если у атома, вступающего в химическую связь, имеются разные атомные орбитали (АО) (s-, p-, d- или f-АО), то в процессе образования химической связи происходит гибридизация АО. Т.е. из разных АО образуются одинаковые (эквивалентные) АО. У атома гибридизуются орбитали, которые имеют близкие значения энергий. Идея о гибридизации АО – это удобный и наглядный прием описания сложных процессов, происходящих при образовании химических соединений. Форма гибридной АО отличается от формы исходных АО (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Атомная sp-гибридная орбиталь

В гибридной АО электронная плотность смещается в одну сторону от ядра. При взаимодействии гибридной орбитали с АО другого атома происходит перекрывание в области максимальной электронной плотности, что приводит к повышению энергии связи. Это повышение энергии связи компенсирует энергию, требуемую на образование гибридной орбитали. В результате химические связи, образованные гибридными орбиталями, прочнее, а полученная молекула более устойчива.

Если в химическую связь вступает атом, у которого на внешнем валентном уровне имеются один s- и один p-электроны, то у данного атома в процессе образования связи происходит sp-гибридизация АО (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Схема sp-гибридизации

Если у атома, вступающего в химическую связь, на внешней оболочке имеются один s- и два p-электрона, то помимо sp-гибридизации может происходить sp 2 -гибридизация АО этого атома (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Схема sp 2 -гибридизации

У атома, имеющего на внешней оболочке один s- и три р-электрона, при химическом взаимодействии помимо sp- и sp 2 -гибридизации, может происходит sp 3 -гибридизация этих АО (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Схема sp 3 -гибридизации

Возможны также более сложные виды гибридизации с участием d-орбиталей атомов (табл. 4.3).

Как видно из рис 4.4-4.6, гибридные облака в пространстве располагаются симметрично относительно друг друга, что уменьшает их взаимное отталкивание и соответственно понижает энергию молекул.

Таблица 4.3

Пространственная конфигурация некоторых соединений

4.1.4.2. Образование σ-, π- и δ-связей

В зависимости от направления перекрывания электронных облаков образуются s-, p- и δ-связи.

Связь, образованная перекрыванием АО по линии, соединяющей ядра взаимодействующих атомов, называется s-связью. Сигма-связь может возникать при перекрывании двух s-орбиталей (рис. 4.7), s- и p-орбиталей, p-орбиталей между собой, d-орбиталей, а также d- и s-орбиталей, d- и p-орбиталей, а также перекрыванием гибридных орбиталей с другими видами орбиталей и между собой. Сигма-связь обычно охватывает два атома и не простирается за их пределы, поэтому является локализованной двухцентровой связью.

s-s	p-p	p-s
sp n -s	d-sp n	sp n -sp n

Рис. 4.7. Перекрывание атомных орбиталей при образовании σ-связей

Связь, образованная перекрыванием негибридных р- и d-АО по обе стороны линии, соединяющей ядра атомов (боковые перекрывания), называется π-связью. Пи-связь может образовываться при перекрывании р-р-орбиталей, р-d – орбиталей, d- d-орбиталей (рис. 4.8), а также f-p-, f-d- и f-f-орбиталей.

Рис. 4.8. Перекрывание атомных орбиталей при образовании π-связей

Связь, образованная перекрыванием d-орбиталей всеми четырьмя лепестками, называется δ-связью (рис. 4.9).

Соответственно, s-элементы могут образовывать только σ-связи, p-элементы – σ- и π-связи, d-элементы σ-, π-, и δ-связи, а f-элементы – σ-, π-, δ- и еще более сложные связи. В связи с меньшим перекрыванием АО прочность у π- и δ-связей ниже, чем у σ-связей.

Рис. 4.9. Направление перекрывания атомных d-орбиталей при образовании δ-связей

Примеры. Определите тип химической связи между атомами в молекулах веществ: гидроксида натрия, серной кислоты, гидроксида мышьяка, сульфата натрия. Покажите стрелкой к какому элементу смещена электронная пара Какая связь более полярна? Каковы степени окисления атомов элементов?

Алгоритм выполнения 1.Изобразить графическую формулу. 2. Под каждым элементом проставить значение электроотрицательности из таблицы. 3. Стрелкой показать смещение электронной плотности. 4. Рассчитать разность относительных электроотрицательностей и указать тип связи (ионная, КП, КНП) 5. По направлению и количеству смещений электронной плотности определить степени окисления атомов элементов.

Пример выполнения NaOH Na OH 0,93 3,5 2, ОЭО(O-Na) ОЭО(O-Na)= 3,5 – 0,93=2,63 ОЭО(О-Н)= 3,5-2,1=1,4 ионная КП

Продолжение H 2 SO 4 S O O O O H H ОЭО(О-Н)=3,5-2.1=1.4 КП ОЭО(O-S)=3,5-2,6=0,9 КП

Определить тип гибридизации центрального атома в молекулах 1. СН 4 метана 2. NH 3 аммиака 3. Н 2 О Пример С НН Н Н Центральный атом – углерод. В(С)=4 3. …2s 2 2p s 1 2p 3

5. В формировании структуры молекулы участвуют одна s и три p- электронные орбитали. Все связи в молекуле метана одинарные -связи. Тип гибридизации sp 3. Все электронные облака участвующие в гибридизации одинаковы. Следовательно углы между ними одинаковы и =0. Молекула неполярна. Геометрическая форма тетраэдр. Ответ sp 3 -гибридизация =0, неполярная молекула

Молекула аммиака Рассуждая аналогично для молекулы аммиака: 1 N H H H 2. B(N)=3, …2s 2 2p 3: связи+электронная пара. 5. SР 3 - гибридизация. Электронные облака разного характера. Углы между ними неодинаковы. 0. Молекула полярна.

Молекула воды 2. Кислород В=2. :O: H H s 2 2p 4 4. В молекуле 2 -связи и две электроные пары. В формировании структуры молекулы участвуют s- и три p-электронные орбитали. Тип гибридизации sp 3. 0 (т.к. Углы между электронными облаками различны). Молекула полярна.

Взаимодействия между молекулами. Водородная связь Водородная связь – это особый вид взаимодействия между молекулами веществ. Водородная связь возникает между атомом водорода и другим более электроотрицательным атомом за счет сил электростатического притяжения по донорно-акцепторному механизму.

Вандерваальсово взаимодействие (межмолекулярное взаимодействие) 1873 год голландский ученый И. Ван-дер-Ваальс, предположил, что существуют силы, обусловливвающие притяжение между молекулами. Типы взаимодействия: 1) диполь-дипольное (ориентационное) Взаимодействие полярных молекул. 2) Индукционное. Взаимодействие полярных и неполярных молекул. Энергия этого вида взаимодействия слабее, чем ориентационного. 3)Дисперсионное. В неполярных молекулах (инертные газы) возникают флуктуации электронной плотности, в результате возникают мгновенные диполи, которые могут индуцировать соседние молекулы.

Гибридизация АО - это выравнивание валентных АО по форме и энергии в процессе образования химической связи .

1. В гибридизации могут участвовать только те АО, энергия которых достаточно близка (например, 2s- и 2р-атомные орбитали).

2. В гибридизации могут участвовать вакантные (свободные) АО, орбитали с неспаренными электронами и неподеленными электронными парами.

3. В результате гибридизации появляются новые гибридные орбитали, которые ориентируются в пространстве таким образом, чтобы после их перекрывания с орбиталями других атомов электронные пары оказались максимально удаленными друг от друга. Такое состояние молекулы отвечает минимуму энергии в силу максимального отталкивания одноименно заряженных электронов.

4. Вид гибридизации (число АО, подвергающихся гибридизации), определяется числом "атакующих" данный атом атомов и числом неподеленных электронных пар в данном атоме .

Пример. ВF 3 . В момент образования связи происходит перестройка АО атома В, переходящего в возбужденное состояние: В 1s 2 2s 2 2p 1 ® B* 1s 2 2s 1 2p 2 .

Гибридные АО располагаются под углом 120 о. Молекула имеет форму правильного треугольника (плоская, треугольная):

3. sp 3 -гибридизация. Такой вид гибридизации характерен для атомов 4-ой группы (например, углерода, кремния, германия ) в молекулах типа ЭХ 4 , а также для атома С в алмазе, молекулах алканов, для атома N в молекуле NH 3 , NH 4 + , атома О в молекуле Н 2 О и т.д.

Пример 1. СН 4 . В момент образования связи происходит перестройка АО атома С, переходящего в возбужденное состояние: С 1s 2 2s 2 2p 2 ® С* 1s 2 2s 1 2p 3 .

Гибридные АО располагаются под углом 109 о 28".

Пример 2. NН 3 и NН 4 + .

Электронная структура атома N: 1s 2 2s 2 2p 3 . Гибридизации подвергаются 3 АО, содержащие неспаренные электроны, и 1 АО, содержащая неподеленную электронную пару. В силу более сильного отталкивания неподеленной электронной пары от электронных пар s-связей угол связи в молекуле аммиака составляет 107,3 о (ближе к тетраэдрическому, а не к прямому).

Молекула имеет форму тригональной пирамиды :

Представления об sp 3 -гибридизации позволяют объяснить возможность образования иона аммония и равноценность связей в нем.

Пример 3. Н 2 О.

Электронная структура атома О 1s 2 2s 2 2p 4 . Гибридизации подвергаются 2 АО, содержащие неспаренные электроны, и 2 АО, содержащие неподеленные электронные пары. Угол связи в молекуле воды составляет 104,5 о (также ближе к тетраэдрическому, а не к прямому).

Молекула имеет угловую форму :

Представления об sp 3 -гибридизации позволяют объяснить возможность образования иона оксония (гидроксония) и образование каждой молекулой 4-х водородных связей в структуре льда.

4. sp 3 d-гибридизация. Такой вид гибридизации характерен для атомов элементов 5-ой группы (начиная с Р) в молекулах типа ЭХ 5 .

Пример. РСl 5 . Электронная структура атома Р в основном и возбужденном состояниях: Р 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 ® P* 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 3d 1 . Форма молекулы - гексаэдр (точнее - тригональная бипирамида) :

5. sp 3 d 2 -гибридизация. Такой вид гибридизации характерен для атомов элементов 6-ой группы (начиная с S) в молекулах типа ЭХ 6 .

Пример. SF 6 . Электронная структура атома S в основном и возбужденном состояниях: S 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 ® P* 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 3d 2 .

Форма молекулы - октаэдр :

6. sp 3 d 3 -гибридизация. Такой вид гибридизации характерен для атомов элементов 7 группы (начиная с Cl) в молекулах типа ЭХ 7 .

Пример. IF 7 . Электронная структура атома F в основном и возбужденном состояниях: I 5s 2 3p 5 ® I* 5s 1 3p 3 3d 3 . Форма молекулы - декаэдр (точнее - пентагональная бипирамида) :

7. sp 3 d 4 -гибридизация. Такой вид гибридизации характерен для атомов элементов 8 группы (кроме Не и Ne) в молекулах типа ЭХ 8 .

Пример. ХеF 8 . Электронная структура атома Хе в основном и возбужденном состояниях: Хе 5s 2 3p 6 ® Хе* 5s 1 3p 3 3d 4 .

Форма молекулы - додекаэдр :

Могут быть и другие виды гибридизации АО.