Гибридизация атомных орбиталей

Гибридизация атомных орбиталей

Способы описания химической связи

В настоящее время используется два метода для описания ковалентных связей:

• Метод валентных связей (МВС).
• Метод молекулярных орбиталей (ММО/МО ЛКАО).

ММО рассматривает образующуюся связь как собственность не двух атомов, а всей молекулы в целом.

Основы метода валентных связей

1. Химическая связь образуется двумя валентными электронами различных атомов с антипараллельными спинами. При этом происходит перекрывание электронных облаков и между атомами возникает зона с повышенной электронной плотностью. Это приводит к уменьшению потенциальной энергии системы. 

2. В пространстве связь располагается по направлению, в котором возможность перекрывания электронных облаков наибольшая. Из нескольких связей, образуемых данным атомом, наиболее прочной будет та связь, у которой перекрывание атомных орбиталей наибольшее.

3. Количество электронов, отдаваемых атомом на образование связи, определяет его валентность.

Валентный угол

  Валентный угол – это угол между прямыми, соединяющими центры ядер атомов в молекуле. Значение валентного угла определяется природой атомов, входящих в состав молекулы. Для молекулы, состоящей из двух атомом валентный угол равен 180 0 . Для молекулы, состоящей из трех атомов возможны две конфигурации: линейная и угловая.

В-А-В

Возможные конфигурации трехатомных молекул

Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи 

Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи заключается в том, что одна частица – донор – представляет на образование связи электронную пару, а вторая – акцептор – свободную орбиталь (лакуну): 

А : +  В = А : В

Пример образования ковалентной связи в ионе аммония (1)

7 N имеет 1 пару электронов на 2s подуровне и 3 неспареных электрона на 2p подуровне 2S 2 2p 3

1 H  имеет 1 неспареный электрон – 1s 1

Пример образования ковалентной связи в ионе аммония (2)

В молекуле аммиака есть 1 пара электронов.

В ионе атома водорода (H + ) нет электронов, зато есть вакантная орбиталь 1s: 

В соединениях, образованных по донорно-акцепторному типу связи электрический заряд равномерно распределен по всей частице, все связи равноценны.

Насыщаемость ковалентной связи

Насыщаемость ковалентной связи (валентные возможности атома, максимальная валентность) характеризует способность атомов участвовать в образовании определенного ограниченного числа ковалентных связей. 

Валентность элемента (В) - его способность к образованию химических связей. В представлении МВС численное значение валентности соответствует числу ковалентных связей, которые образует атом.

В ряде случаев атом, имеющий пару электронов может перейти в возбужденное состояние (промотирование электрона):

6С 2s2 2p2 → 6C 2s1 2p3

Происходит это в тех случаях, когда выделение энергии от образования химической связи больше, чем поглощение энергии, затрачиваемой на промотирование. 

Гибридизация

    Гибридизация – выравнивание по форме и энергии электронных облаков с образованием новых, одинаковых по форме и энергии. Новые облака называются гибридными, их число равно сумме электронных облаков, участвующих в гибридизации.

Основные положения теории гибридизации

1. Если у атома, вступающего в химическую связь, имеются разные АО (s-, р-, d- или f-АО), то в процессе образования химической связи происходит гибридизация (смешение) АО, т.е. из разных АО образуются одинаковые (эквивалентные) АО.​

2. Форма гибридной АО отличается от формы исходных АО. В гибридной АО электронная плотность смещается в одну сторону от ядра, поэтому при взаимодействии ее с АО другого атома происходит максимальное перекрывание, которое приводит к повышению энергии связи. ​

sp 3 -Гибридизация  –

гибридизация, в которой участвуют атомные орбитали одного s - и трех p -электронов

Четыре  sp 3-гибридные орбитали симметрично ориентированны в пространстве под углом 109°28' 

Также,  sp 3-гибридизация наблюдается во всех предельных углеводородах (алканы, циклоалканы) и других органических соединениях: ​

CH4 , C5H12, C6H14, C8H18 и др. 

Примеры соединений, для которых характерна  sp 3-гибридизация: ​

H2O,  NH3 , POCl3, SO2F2, SOBr2, NH4+, H3O+.

Пространственная конфигурация молекулы, центральный атом которой образован  sp 3-гибридными орбиталями – тетраэдр.

sp 2 -Гибридизация  –

Гибридизация, в которой участвуют атомные орбитали одного s - и двух p -электронов:

В результате гибридизации образуются три гибридные  sp 2 орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу.

Примеры соединений, в которых наблюдается  sp 2-гибридизация: ​

• SO3, BCl3, BF3, AlCl3, CO32-, NO3

Атомы углерода, находящиеся во втором валентном состоянии ( sp 2-гибридизация) связаны друг с другом двойными химическими связями. При  sp 2-гибридизации атом углерода образует три  σ -связи и одну  π -связь с соседними атомами углерода.

sp-Гибридизация  - это гибридизация, в которой участвуют атомные орбитали одного s - и одного p -электронов:

В процессе гибридизации образуются 2 гибридные орбитали, которые ориентируются друг к другу под углом 180°. ​

Примеры химических соединений, для которых характерна  sp -гибридизация:​

  BeCl2, BeH2,  CO ,  CO2 ,  HCN .​

  Также  sp -гибридизация наблюдается во всех ацетиленовых углеводородах (алкинах):  C2H2 (ацетилен) , C4H6, C6H10 и т. д​

Строение молекула BeH 2

1.  Оценим степени окисления элементов:

Be +2 H 2 -1

2.  Запишем сокращенные электронные конфигурации атомов и структурную формулу:

Be 1s 2 2s 2 2p 0   

H 1s 1               Н-Ве-Н

3.  Для того, чтобы атом бериллия образовал две связи, необходимо, чтобы он имел два неспаренных электрона. Это происходит при переходе атома в возбужденное состояние, электронная конфигурация будет

• Be* 1s 2 2s 1 2p 1

4.  Связи Be–H в молекуле BeH 2 равнозначны, поэтому предполагается, что у атома бериллия одна 2s- и одна 2p-орбитали гибридизуются в две sp-орбитали, которые расходятся в пространстве на максимально возможное расстояние (180°).

5. Гибридизованные орбитали перекрываются с 1s-орбиталями двух атомов водорода, в результате чего образуется линейная молекула BeH 2 .

Вывод : тип гибридизации sр,​

  форма молекулы-линейная,​

угол 180

Строение молекулы ВF 3

1.  B +3 F 3 -1

А так как у него всего один неспаренный электрон, то бор переходит в возбужденное состояние за счет распаривания электронов.

2.  B +3 (2s 2 2p 1 )  и F -1 (2s 2 2p 5 )

4. Бор образует 3 сигма- связи, поэтому электроны, их образующие, должны находиться на одинакового вида орбиталях.

3. На один атом бора приходится три атома фтора, у каждого из которых по одному неспаренному электрону (в сумме их три):у бора должно быть три неспаренных электрона.

5. У атома бора одна 2s- и две 2p-орбитали гибридизуются в три sp2-гибридные орбитали, которые расходятся в пространстве на угол 120°. Форма молекулы – треугольная.

Строение молекулы аммиака

1. Конфигурация внешнего электронного слоя атома азота 2s 2 2р 3 , водорода 1s 1 .

2. Валентная структура молекулы:

3. На один атом азота приходится три атома водорода, у каждого из которых по одному неспаренному электрону, в сумме их три. У атома азота имеется три неспаренных электрона. Но азот может образовывать четвертую

Связь по донорно- акцепторному механизму, поэтому все 4 орбитали должны быть совершенно одинаковыми по форме и энергии. Происходит гибридизация орбиталей.

Но только три орбитали принимают участие в образовании химической связи. Тетраэдр без одной вершины превращается в  пирамиду . Поэтому у молекулы аммиака форма молекулы пирамидальная, угол связи искажается до 107°30′. 

На четвертой орбитали находится неподеленная электронная пара. 

4. В гибридизацию вступает одна s и три р-орбитали:​

Направленность связи

  Направленность связи заключается в том, что максимальное перекрывание валентных электронных облаков взаимодействующих атомов возможно при определенной их взаимной ориентации. Направленность ковалентной связи определяет пространственную конфигурацию молекул.

Выделяют σ -, π – и δ – связи.

Связь, образованная перекрыванием АО по линии, соединяющей ядра взаимодействующих атомов, называется σ – связью. Этот вид связи самый прочный.​

Связь, образованная перекрыванием АО по обе стороны линии, соединяющей ядра атомов (боковые перекрывания), называется π-связью.

двойной одинарной. Кратность – количество связей между двумя атомами. Двойная связь обозначается двумя черточками, тройная тремя. Полярность химической связи Общая электронная пара может быть смещена к более электроотрицательному атому. Такая связь называется полярной. Возникает в случае, если два атома обладают различной электроотрицательностью. В неполярной связи общая электронная пара находится посередине между двумя атомами. " width="640"

Кратность связи

Связь, которая образована одной электронной парой между двумя атомами, называется одинарной. Одинарная связь всегда σ – связь.

Связь, образованная более чем одной электронной парой, называется кратной (двойной или тройной).

Энергия тройной связи двойной одинарной.

Кратность – количество связей между двумя атомами.

Двойная связь обозначается двумя черточками, тройная тремя.

Полярность химической связи

Общая электронная пара может быть смещена к более электроотрицательному атому. Такая связь называется полярной. Возникает в случае, если два атома обладают различной электроотрицательностью.

В неполярной связи общая электронная пара находится посередине между двумя атомами.

Поляризуемость химической связи

Поляризуемость связи характеризует способность становиться полярной (или более полярной) в результате действия на молекулу внешнего электрического поля.

В результате воздействия внешнего поля может произойти разрыв связи:

Выберите правильный ответ .

• 1. Тип гибридизации электронных облаков в молекуле CF 4
• 1) sp-;
• 2) sp²-;
• 3) sp³-;
• 4) spd-.

• 2. Тип гибридизации электронных облаков в молекуле СO 2
• 1) sp-;
• 2) sp²-;
• 3) sp³-;
• 4) spd-.

• 1. Тип гибридизации электронных облаков в молекуле СаCl 2:
• 1) sp-;
• 2) sp²-;
• 3) sp³-;
• 4) spd-.

• 2. Тип гибридизации электронных облаков в молекуле ВСl 3:
• 1) sp-;
• 2) sp²-;
• 3) sp³-;
• 4) spd.

Выберите правильный ответ

• 1. При гибридизации происходит:
• 1) образование электронных орбиталей одинаковой формы и энергии;
• 2) выравнивание всех электронных облаков;
• 3) образование тетраэдрической формы молекулы;
• 4) приобретение одинаковых валентных углов.

• 2. Пространственная форма молекулы NF3, если угол между связями равен 102°:
• 1) треугольная пирамида с атомом азота в одной из вершин;  
• 2) треугольник с атомом азота в центре;
• 3) треугольник с атомом аз 4) плоский четырехугольник с атомом азота в одной из вершин. ота на одной из сторон;

Выберите правильный ответ

• 1. Тип гибридизации электронных облаков в молекуле СCl 4
• 1) sp-;
• 2) sp²-;
• 3) sp³-;
• 4) spd-.

• 2. Тип гибридизации электронных облаков в молекуле ВеJ 2
• 1) sp-;
• 2) sp²-;
• 3) sp³-;
• 4) spd-.

Выберите правильный ответ

• 1. Тип гибридизации электронных облаков в молекуле GeCl 4
• 1) sp-;
• 2) sp²-;
• 3) sp³-;
• 4) spd-.

• 2. Тип гибридизации электронных облаков в молекуле SiCl 4
• 1) sp-;
• 2) sp²-;
• 3) sp³-;
• 4) spd-. 

Установите соответствие

• Тип гибридизации:
• 1) sp-
• 2) sp 2 -
• 3) sp 3 -

• Механизм и форма молекул:
• а) гибридизация одной s- и трех р-орбиталей
• б) тетраэдрическая в) гибридизация одной s- и двух р-орбиталей
• г) треугольная д) гибридизация одной s- и одной р- орбитали
• е) линейная

Пространственная форма молекулы BF 3 , если угол между связями равен 120°

• 1) треугольная пирамида с атомом бора в одной из вершин;
• 2) плоский треугольник с атомом бора в центре;
• 3) плоский треугольник с атомом бора на одной из сторон;
• 4) плоский четырехугольник с атомом бора в одной из вершин.

Выберите правильный ответ

• 1. Тип гибридизации электронных облаков в молекуле BCl 3
• 1) sp-;
• 2) sp²-;
• 3) sp³-;
• 4) spd-.

• 2. Молекула, имеющая линейное строение 1) аммиак;
• 2) вода;
• 3) сероводород;
• 4) хлорид стронция.

• 1. Молекула, в которой наблюдается sp-гибридизация
• 1) SiH 4 ;
• 2) GaBr 3 ;
• 3) MgCl 2 ;
• 4) CH 4 .

• 2. Молекула, имеющая форму тетраэдра
• 1) FlCl 3
• 2) BaCl 2
• 3) NH 3
• 4) SiF 4

Установите соответствие

• Механизм образования и форма молекул.
• а) гибридизация одной s- и трех р-орбиталей
• б) тетраэдрическая
• в) гибридизация одной s- и двух р- орбиталей
• г) треугольная
• д) гибридизация одной s- и одной р- орбитали
• е) линейная

• Тип гибридизации

1) sp-;

2) sp²-;

3) sp³-;