Гібридизація електронних орбіталей і геометрія молекул

Ковалентний зв’язок найбільш поширена в світі органічних і неорганічних речовин і характеризується насичуваність, поляризуемостью і спрямованість у просторі.

Насичуваність ковалентного зв’язку полягає в тому, що число загальних електронних пар, які здатний утворити той чи інший атом, обмежена. Завдяки цьому ковалентні сполуки мають строго певний склад. Тому, наприклад, існують молекули Н2, N2, СН4, але немає молекул Н3, N4, СН5.

Поляризуемость ковалентного зв’язку полягає в здатності молекул (і окремих зв’язків у них) змінювати свою полярність під дією зовнішнього електричного поля.

В результаті поляризації неполярні молекули можуть стати полярними, а полярні молекули – перетворитися в ще більш полярні аж до повного розриву окремих зв’язків з утворенням іонів:
Гібридизація електронних орбіталей і геометрія молекул

Спрямованість ковалентного зв’язку зумовлена тим, що р-, d і f орбіталі певним чином орієнтовані в просторі. Спрямованість ковалентного зв’язку впливає на форму молекул речовин, їх розміри, міжатомні відстані, валентний кут, тобто на геометрію молекул.

В результаті утворення ковалентного зв’язку атоми неметалів отримують завершену електронну конфігурацію зовнішнього шару з восьми електронів. Утворені при цьому чотири електронні пари розташовуються в просторі через взаємного відштовхування так, щоб бути максимально віддаленими одна від одної. Вчені розрахували, що найбільша відстань між чотирма електронними парами досягається при їх тетраедріче-ському розташуванні, тобто тоді, коли кожна з чотирьох електронних пар займає область простору, спрямовану до однієї з вершин тетраедра.
Наприклад, в молекулі метану СН4 атом вуглецю отримав «заповітний» октет електронів за рахунок утворення чотирьох загальних електронних пар з чотирма атомами водню.

Атом вуглецю, як ви пам’ятаєте з курсу органічної хімії, розташований в центрі тетраедра, а атоми водню – в чотирьох вершинах. Кут Н-С-Н буде дорівнює 109 ° 28 ‘(рис. 10).
Гібридизація електронних орбіталей і геометрія молекул

Аналогічне тетраедричну розташування мають і зв’язку атомів вуглецю в молекулах інших алканів, наприклад в молекулі етану.

У молекулі метану всі чотири загальні електронні пари утворилися за рахунок спарювання непарних електронів атома вуглецю з чотирма електронами чотирьох атомів водню – в ній ні не-поділених електронних пар. А ось, наприклад, в молекулах аміаку NH3, води Н20 і фтористого водню НF, в зовнішньому електронному шарі атомів азоту, кисню і фтору вони є (у азоту – одна електронна пара, у кисню – дві, і у фтору – три).

Ці неподіленого електронні пари відштовхують загальні електронні пари, і тому в молекулах аміаку, води та фторо-водню зв’язку прагнуть також прийняти тетраедричних спрямованість, але тільки в одній (NН3), двох (Н20) і трьох (НF) вершинах цих тетраедрів будуть розташовуватися неподіленого електронні пари (рис. 11).

Отже, форма молекул з ковалентними зв’язками визначається нескладної закономірністю:

електронні пари завершеного зовнішнього шару відштовхуються одна від одної і прагнуть розташуватися на максимальних відстанях один від одного.
Гібридизація електронних орбіталей і геометрія молекул

Неподіленого електронні пари сильніше відштовхують від себе загальні електронні пари о-зв’язків, ніж ці пари відштовхують одна одну. Цим пояснюється зменшення кутів зв’язків в порівнянні з тетраедричних кутами (109 ° 28 ‘) в ряду:
Гібридизація електронних орбіталей і геометрія молекул

Більш повне уявлення про форму молекул органічних і неорганічних речовин можна скласти на основі гіпотези про гібридизації електронних орбіталей атомів. Вона була запропонована Л. Полингом (США) для пояснення встановленого за допомогою нових фізичних методів дослідження речовин факту рівноцінності всіх хімічних зв’язків і симетричного розташування їх відносно центру молекул СН4, ВF3, ВеСl2. В освіті о-зв’язків в кожному випадку від центрального атома (С, В, Ве) повинні були брати участь орбіталі різних типів (s- і р), тому вони не могли бути рівноцінними. Теорія виявилася нездатною пояснити факти, виникло протиріччя, яке було дозволено за допомогою нової гіпотези. Це один із прикладів, які показують шлях розвитку пізнання людиною навколишнього світу, можливість все більш глибокого проникнення в сутність явищ.

З гіпотезою гібридизації електронних орбіталей ви знайомилися в курсі органічної хімії на прикладі атома вуглецю. Нагадаємо про це ще раз.

При утворенні молекули метану СН4 атом вуглецю з основного стану переходить в збуджений:
Гібридизація електронних орбіталей і геометрія молекул

Зовнішній електронний шар порушеної атома вуглецю містить один в- і три р-неспарених електрона, які і дадуть чотири о-зв’язку з чотирма s-електронами атомів водню. При цьому слід очікувати, що три зв’язку С-Н, утворені за рахунок спарювання трьох р-електронів атома вуглецю з трьома s-електронами трьох атомів водню (s-р гамма-зв’язок), повинні б відрізнятися від четвертої (s-s) зв’язку міцністю, довжиною, спрямованістю. Вивчення електронної щільності в молекулах метану показує, що всі зв’язки в молекулі метану рівноцінні і спрямовані до вершин тетраедра. Це пояснюється тим, що при утворенні молекули метану чотири ковалентні зв’язки виникають не за рахунок «чистих» орбіталей, а за рахунок так званих гібридних, тобто усереднених за формою і розмірами (а отже, і по енергії), орбіталей.
Гибридизацией електронних орбіталей називають процес їх взаємодії, що приводить до вирівнювання по формі і енергії.

Число гібридних орбіталей дорівнює числу вихідних орбіталей. Гібридні орбіталі вигідніше по геометричній формі, ніж s- і р-орбіталі, їх електронна щільність розподілена інакше, що забезпечує більш повне перекривання з в -орбіталямі атомів водню, ніж було б у «чистих» s- і р-орбіталей.

У молекулі метану і в інших алканах, а також у всіх органічних молекулах за місцем одинарного зв’язку атоми вуглецю знаходяться в стані sр3-гібридизації, тобто у атома вуглецю гібридизації піддалися одна s- і три р-орбіталі і утворилися чотири однакові гібридні ВР3-орбіта -Чи.

В результаті перекривання чотирьох гібридних sр3-орби-талей атома вуглецю і в орбіталей чотирьох атомів водню утворюється тетраедричних молекула метану з чотирма однаковими гамма-зв’язками під кутом в 109 ° 28 ‘(рис. 12).

Цей тип гібридизації атомів і, отже, тетраедричну будова буде характеризувати також молекули сполук аналога вуглецю – кремнію: SiН4, SіСl4.

А в молекулах води та аміаку відбувається sр3-гібридизація орбіталей атомів кисню та азоту. Однак якщо у атома вуглецю всі чотири гібридні sр3-орбіталі зайняті загальними електронними парами, то у атома азоту одна ер-орбіталь зайнята неподіленої електронної парою, а у атома кисню ними зайняті вже дві sр3-орбіталі.

Таким чином, на зміну величини кута зв’язків в тетраедра (109 ° 28 ‘) надають дію відразливі властивості неподіленого (вільних) електронних пар, що займають гібридні sр3-орбіталі: у атома азоту одна електронна пара (<Н-N-Н = 107 ° 30 ‘), а у атома кисню – дві (<Н-О-Н = 104 ° 27’).
Гібридизація електронних орбіталей і геометрія молекул

sр3-Гібридизація спостерігається не тільки у атомів в складних речовинах, але і у атомів в простих речовинах. Наприклад, у атомів такої аллотропной модифікації вуглецю, як алмаз.

У молекулах деяких з’єднань бору має місце sр2-гібридизація зовнішніх орбіталей атома бору.
Гібридизація електронних орбіталей і геометрія молекул

У атома бору в збудженому стані в гібридизації беруть участь одна ізs- і дві р-орбіталі, в результаті чого утворюються три §р2-гібридні орбіталі, розташовані в площині під кутом 120 ° один до одного (рис. 13).

Тому молекули таких з’єднань, наприклад ВF3, мають форму плоского трикутника (рис. 14).

Гібридизація електронних орбіталей і геометрія молекул

В органічних сполуках, як ви знаєте, sр2-гібридизація характерна для атомів вуглецю в молекулах алкенів за місцем подвійного зв’язку, чим і пояснюється площинне будову цих частин молекул, а також молекул диенов і аренів. sр2-Гібридизація спостерігається також у атомів вуглецю і в такий аллотропной модифікації вуглецю, як графіт.

У молекулах деяких сполук берилію наблюдаетсяsр-гібридизація зовнішніх орбіталей збудженого атома берилію.

Гібридизація електронних орбіталей і геометрія молекул

Аналогічний тип гібридизації електронних орбіталей існує у атомів вуглецю в Алкіни – вуглеводнях ряду ацетилену – за місцем потрійного зв’язку.

Така гібридизація орбіталей характерна для атомів вуглецю в ще одній його аллотропной модифікації, Карбин:

…- С- = С-С-= С- …

У таблиці 8 наведені види геометричних конфігурацій молекул, відповідні деяким типам гібридизації орбіталей центрального атома А з урахуванням впливу числа вільних (несвязивающіх) електронних пар.

Таблиця 8 Геометричні конфігурації молекул, які відповідають різним типам гібридизації – зовнішніх електронних орбіталей центрального атома
Гібридизація електронних орбіталей і геометрія молекул

1. У молекулах водневих з’єднань вуглецю, азоту і кисню СН4, NН3 і Н20 валентні орбіталі центральних атомів неметалів мають однакове стан sр3-гібридизації, але різні кути між зв’язками – 109 ° 28 ‘, 107 ° 30’ і 104 ° 27 ‘відповідно. Чим це можна пояснити?
2. Чому графіт електропроводів, а алмаз немає?
3. Яку геометричну форму матимуть молекули двох фторидів – бору та азоту (ВF3 і NF3 відповідно)? Дайте обґрунтовану відповідь.
4. Молекула фториду кремнію SiF4 має тетраедричну будова, а молекула хлориду брому ВСl3 – форму трикутника – площинне. Чому?

...
ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Гіперкаліємія