3.8 Гибридизация орбиталей

3.8.  Гибридизация орбиталей. Пространственная форма молекул

Образование одинаковых связей из атомных орбиталей разного вида потребовало введения такого понятия, как ГИБРИДИЗАЦИЯ (то есть “смешивание”) атомных орбиталей. Почему это понятие стало необходимо?

Вернемся к уже знакомой нам молекуле BeCl₂. Ее образование вполне понятно из электронного строения атомов бериллия и хлора, которое изображается формулами Льюиса:

Электронная конфигурация валентной оболочки бериллия 2s². Для реакции с двумя атомами хлора необходим переход электронов бериллия в возбужденное состояние:

Если бы один атом хлора связывался с бериллием за счет 2s-электрона бериллия, а другой - за счет 2p-электрона бериллия, то связи Be—Cl не были бы равноценными. Однако на самом деле обе связи имеют одинаковую длину, прочность и расположены под углом 180^о.

Чтобы объяснить равноценность связей Be—Cl, говорят о sp-гибридизации валентных атомных орбиталей бериллия, при которой одна s-орбиталь и одна p-орбиталь (они обведены овалом на орбитальной диаграмме) как бы смешиваются и выравниваются по форме и энергии, давая две одинаковые sp-гибридные орбитали.

 sp-гибридизация валентных орбиталей бериллия в соединении BeCl₂

Каждая гибридная орбиталь несимметрична (вытянута в сторону от ядра). Обе гибридные орбитали бериллия лежат на одной прямой.

Считается, что благодаря sp-гибридизации молекула BeCl₂ имеет линейную форму и все три ее атома находятся на одной прямой, а обе связи Be—Cl совершенно одинаковы. Такова геометрия и у всех других sp-гибридизованных молекул - независимо от элементов, которые входят в эти молекулы.

Если валентная оболочка атома включает электроны на одной s-орбитали и двух p-орбиталях, то имеет место sp²-гибридизация орбиталей. Примером может служить sp²-гибридизация бора при образовании молекулы BF₃. На орбитальной диаграмме обведены одна s- и две p-орбитали, которые “смешиваются”, то есть гибридизуются. Из ОВЭП мы уже знаем, что sp²-гибридные фрагменты молекул имеют форму плоского треугольника.

sp²-гибридизация валентных орбиталей бора в соединении BF₃

Три sp²-гибридные орбитали бора лежат в одной плоскости под углом 120^o.

Наконец, когда смешиваются одна s- и три p-орбитали, возникают sp³-гибридизованные молекулы, имеющие геометрию тетраэдра (рис. 3-9). Примером может служить молекула метана СН₄.

sp³-гибридизация валентных орбиталей углерода

Четыре sp³-гибридные орбитали углерода направлены в вершины правильного тетраэдра. Атом углерода находится в центре тетраэдра. Углы между всеми связями равны и составляют 109°28'.

Существует важное правило:

При гибридизации ЧИСЛО ГИБРИДНЫХ ОРБИТАЛЕЙ всегда РАВНО ЧИСЛУ ИСХОДНЫХ АТОМНЫХ ОРБИТАЛЕЙ.

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 H₂O кислород - sp³-гибридный, находится в центре неправильного тетраэдра, в вершины которого "смотрят" два атома водорода и две неподеленные пары электронов (рис. 3-10а). Форма молекулы угловая, если смотреть по центрам атомов. Валентный угол HОН составляет 105^о, что довольно близко к теоретическому значению 109^о.

sp³-гибридизация атомов кислорода и азота в молекулах а) H₂O и б) NCl₃

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.

Пространственная форма молекул

Формулы Льюиса многое говорят об электронном строении и устойчивости молекул, но пока ничего не могут сказать об их пространственном строении. В теории химической связи существуют два хороших подхода к объяснению и предсказанию геометрии молекул. Они хорошо согласуются между собой.

Первый подход называется теорией отталкивания валентных электронных пар (ОВЭП). Несмотря на “страшное” название, суть этого подхода очень проста и понятна:

химические связи и неподеленные электронные пары в молекулах стремятся расположиться как можно дальше друг от друга.

Поясним на конкретных примерах. В молекуле BeCl₂ есть две связи Be—Cl. Форма этой молекулы должна быть такой, чтобы обе эти связи и атомы хлора на их концах располагались как можно дальше друг от друга:

Это возможно только при линейной форме молекулы, когда угол между связями (угол ClBeCl) равен 180^о.

Другой пример: в молекуле BF₃ имеется 3 связи B—F. Они располагаются как можно дальше друг от друга и молекула имеет форму плоского треугольника, где все углы между связями (углы FBF) равны 120^о :

Еще один пример: в молекуле CH₄ имеется 4 связи C—H. Все эти 4 связи расположатся максимально далеко друг от друга только тогда, когда молекула примет форму тетраэдра, у которого в центре находится атом C, а в вершинах - атомы H. Кстати, в "квадратной" молекуле расстояние между атомами водорода было бы меньше, поэтому реальная молекула CH₄ имеет форму тетраэдра:

В молекуле CH₄ угол НСН такой же, как в математическом тетраэдре: 109^о28’.

Последний пример: молекула H₂O в своем составе имеет две связи O—H и две неподеленные пары электронов. Вывод: эта молекула также должна иметь форму, похожую на тетраэдр.

Реально этот тетраэдр слегка искажен, потому что неподеленные пары отталкиваются между собой несколько сильнее, чем от поделенных пар, и чем поделенные пары отталкиваются друг от друга. Поэтому реальный угол HOH составляет не 109^о, а немногим менее 105^о. Однако по центрам атомов, как можно видеть, молекула воды имеет угловую форму.

Если ввести обозначения: н.п - неподеленная пара, п.п - поделенная пара, то относительное отталкивание между ними дает такой ряд:

(н.п/н.п) > (н.п/п.п) > (п.п/п.п).

Теория отталкивания валентных электронных пар (ОВЭП) проста и наглядна. Она опирается на классическую геометрию и позволяет правильно предсказывать форму молекул.

УПРАЖНЕНИЯ

1.     Какие электроны атомов (например, углерода или азота) называют неспаренными?

Решение: Электроны, которые находятся по одному на орбитали, называют неспаренными электронами. Например, в электронографической формуле возбужденного атома углерода – четыре неспаренных электрона, а у атома азота – три:

_____________________________________________________________

2.     Что означает понятие «общие электронные пары» в соединениях с ковалентной связью (например, СН₄ или Н₂S)?

Решение: Два электрона, участвующие в образовании одной химической связи, называют общей электронной парой. Обычно до образования химической связи один из электронов этой пары принадлежал одному атому, а другой электрон – другому атому:

_____________________________________________________________

3.     Какие электронные состояния атомов (например, С или N) называют основными, а какие возбужденными?

Решение: Электронное состояние атома, в котором соблюдается порядок заполнения электронных орбиталей: 1s², 2s², 2p², 3s², 3p², 4s², 3d², 4p² и т.д., называют основным состоянием. Ввозбужденном состоянии один из валентных электронов атома занимает свободную орбиталь с более высокой энергией, такой переход сопровождается разъединением спаренных электронов. Схематически это записывают так:

Тогда как в основном состоянии было только два валентных неспаренных электрона, то в возбужденном состоянии таких электронов становится четыре.

_____________________________________________________________

4.     Какие типы гибридизации известны для атома углерода и в чем они заключаются?

Решение: Для атома углерода известны три типа гибридизации: sp³, sp² и sp.

Какие химические связи называют δ и какие π? Укажите δ- и π-связи в соединениях:

_____________________________________________________________

5.     Для атомов углерода приведенных ниже соединений укажите: а) тип гибридизации; б) типы его химических связей; в) валентные углы.

Решение:

_____________________________________________________________

ЗАДАНИЯ  ДЛЯ  САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1.     Какое геометрическое строение характерно для молекул, которые содержат sp-гибридизованные атомы.

2.     Какова геометрическая форма молекул типа АВ₃, которые содержат sp²-гибридизованный атом А.

3.     Какова геометрическая форма молекул типа АВ₄, которые содержат sp³-гибридизованный атом А.

4.     Назовите известные вам виды пространственного строения молекул. Приведите примеры молекул.

5.     Какие типы гибридизации являются наиболее важными.

6.     Сколько гибридных орбиталей образуется в результате: sp-, sp²-,  sp³-гибридизации.

7.     Для атомов элементов 2-го и 3-го периодов напишите электронные и электронно-графические формулы внешнего электронного слоя в возможных возбужденных состояниях.

8.     Какой тип гибридизации характерен для кремния в SiCl₄. Нарисуйте схему перекрывания электронных облаков в данной молекуле.

9.     Какой тип гибридизации характерен для кремния в MgBr₂. Нарисуйте схему перекрывания электронных облаков в данной молекуле.

10.                        Какие из следующих молекул являются полярными и какие неполярными, почему:

1.     Укажите неполярную молекулу:
а) HCl	б) CF4
в) NH3	г) H2S
2.     Укажите неполярную молекулу с ковалентными полярными связями:
а) O2	б) CO2
в) HBr	г) CO
3.     У какой частицы есть sр3-гибридные орбитали:
а) BH4-	б) PCl5
в) HClO4	г) ClF3
4.     По какому типу гибридизованы валентные орбитали в молекуле ВеН2:
а) sp	б) sp2
в) sp3	г) d2sp3
5.     Какое свойство не присуще ковалентной связи:
а) насыщенность	б) валентность
в) направленность	г) поляризуемость
6.     sр3 –гибридизация атомных орбиталей центрального атома может дать такие геометрические конфигурации молекул:
а) октаэдр	б) тетраэдр
в) тригональная пирамида	г) цилиндр
7.     Чем оценивается степень полярности ковалентной связи:
а) разностью электроотрицательностей	б) величиной эффективных зарядов
в) значением электрического момента диполя	г) длиной диполя
8.     Характеристиками ионной связи являются:
а) насыщаемость	б) координационное число
в) направленность	г) разность электроотрицательностей
9.     Укажите соединение с ионной связью:
а) PH3	б) SiCl4
в) LiF	г) NH3
10.                        У какого соединения более ярко выражена ковалентная полярная связь:
а) CCl4	б) H2O
в) NaCl	г) PCl3

Ответы:

1	б
2	б
3	а
4	а
5	б
6	б
7	а
8	б
9	в
10	б