Поняття гібридизації. Перший валентний стан атома вуглецю

При перевірці домашнього завдання вчитель акцентує увагу на будову зовнішнього електронного рівня атома вуглецю: які орбіталі і скільки їх складають цей рівень, розподіл електронів по орбіталях в основному і збудженому станах, форма s- і p-електронних хмар, взаємне розташування осей p-орбіталей. Учитель зазначає, що для атома вуглецю в органічних речовинах найбільш характерна валентність, що дорівнює чотирьом. Для цього при утворенні хімічних зв’язків атом повинен перейти в збуджений стан, при якому один з 2s-електронів переміщується на 2 / р-орбіталь. Як приклад розглядається молекула метану. Учні, як правило, легко відповідають на поставлені питання:

1. Скільки хімічних зв’язків в молекулі метану?

2. Який тип зв’язку С-Н?

3. До якого типу відносяться ці зв’язки (до ?- або ?-типом)?

4. За рахунок перекривання орбіталей якого типу відбувається утворення зв’язків вуглець-водень?

Відповідь хлопців на останнє запитання логічний: три зв’язку утворені за рахунок перекривання р-орбіталей вуглецю і 5-орбіталі атомів водню, четверта зв’язок – результат перекривання двох s-орбіталей. Учитель створює проблемну ситуацію. Очевидно, що в такому випадку одна з зв’язків С-Н відрізнятиметься від трьох інших: по енергії, довжині, спрямованості. Однак за допомогою сучасних методів дослідження доведено, що всі зв’язки в метані абсолютно рівноцінні! Чому? Для пояснення цього факту висунута гіпотеза, звана теорією гібридизації.

Виходячи з того, що всі зв’язки в метані рівноцінні, залишається припустити, що утворені вони однаковими орбиталями атома вуглецю. Але ж s- і р-хмари істотно відрізняються один від одного! Значить, у з’єднаннях у вуглецю вже немає орбіталей такої форми, вони усереднюються за формою і енергії. Таке явище і прийнято називати гибридизацией.

Учитель повинен підкреслити два моменти:

1) при гібридизації число орбіталей не змінюється, т. Е. З однієї s- і трьох p-орбіталей утворюється чотири нових;

2) на кожній з орбіталей нової форми залишається по одному неспарених електронів, за рахунок яких і утворюються чотири зв’язку С-Н.

До речі, про форму гібридних орбіталей. Вона нагадує гантель, але з різновеликими сферами. Точка між сферами з нульовою електронної щільністю збігається з центром ядра атома вуглецю.

Наступний важливий момент пояснення – просторове розташування осей гібридних орбіталей. До нього можна підійти з допомогою наступного завдання. Учитель просить хлопців розташувати два сірники так, щоб їх «хвостики» стикнулися, а головки були на максимальному видаленні один від одного (максимально відштовхнулися). Зробити це легко – сірники лежать на одній прямій. Те ж саме треба зробити з трьома сірниками, виходить фігурка, що нагадує товарний знак «мерседеса». Тепер чотири сірники. Найчастіше хлопці показують хрест. Тоді вчитель демонструє чотири повітряні кульки, скріплених за «хвостики». Перебуваючи у вільному польоті, вони максимально відштовхуються один від одного, маківки куль спрямовані до вершин тетраедра. Помилка хлопців була в тому, що вони мали сірники на площині, а не в тривимірному просторі. Оскільки на кожній з гібридних орбіталей знаходиться негативно заряджений електрон, вони прагнуть розташуватися в просторі найбільш вигідним чином, т. Е. На максимальному видаленні. При цьому кут між осями буде дорівнює 109 ° 28 ‘, а самі осі направлені до вершин тетраедра.

Залишилося присвоїти новим орбиталям символьне позначення. Кожна з них називається sp3-орбіталь, а відповідне валентний стан вуглецю – sp3-гібридизацією. Розшифрувати це позначення вчитель просить самих учнів.

Посилання на основну публікацію