ГИБРИДИЗАЦИЯ АТОМНЫХ ОРБИТАЛЕЙ И ТИПЫ ГИБРИДИЗАЦИИ

Гибридизация атомных орбиталей – это возникновение в атоме новых, смешанных орбиталей (например, sp, pd и др.), более выгодных для образования химических связей с другими атомами.

sp-гибридизация. На рис. 3.12 приведена схема образования гибридных sp – орбиталей.

Рассмотрим соединения бериллия BeX₂ (BeCl₂, BeH₂). Бериллий в основном состоянии. (1s²2s²) не имеет неспаренных электронов и по МВС, с позиции спиновой теории валентности, он не может образовать химические связи. Однако у бериллия много соединений типа BeX₂ (BeCl₂, BeH₂ и др.), молекулы которых линейны.

Для объяснения этого факта принимаем, что происходит возбуждение Be → Be* (2s² → 2s2p) с образованием двух неспаренных электронов (2s и 2p) дают с двумя электронами s – типа двух атомов водорода или двух электронов p – типа атомов хлора две связи. Если исходить из указанного вида АО и учитывать, что связи образуются по принципу максимального перекрытия орбиталей, то молекула BeCl₂ должна быть угловой, и связи Вe–Cl должны быть неравноценны, однако они одинаковы. Произошла гибридизация s- и p-АО орбиталей с образованием двух новых гибридных sp-орбиталей. Эти sp-АО должны находиться под углом 180º, т.к. только тогда взаимодействие между ними минимально, только тогда минимум между ними перекрывания. Две гибридные s-орбитали образуют две σ -связи с водородом. Это подтверждается экспериментом. BeH₂ и все молекулы галогенидов Be и щелочноземельных металлов имеют линейное строение (рис. 3.13).

 

sp²-гибридизация. Участвует в гибридизации одна s и две p орбитали (рис. 3.14). При sp²-гибридизации образуются три σ -связи, т.е. угол между связями равен полному углу (360^о), деленному на число связей:

⁰

Ниже приводятся примеры определения структуры молекул с использованием метода валентных связей.

 

Например:

 

sp³-гибридизация. Участвует в образовании четырех гибридных орбиталей 3р и одна s – орбитали (рис. 3.16).

Рассмотрим атом углерода. В основном состоянии он имеет электронную конфигурацию 1s²2s²2p_x2p_у. Поэтому следует ожидать образования соединений состава СХ₂ (Х = Н, Cl, Вr, I и др.). Но это противоречит фактам.

Известны соединения СХ₄. Чтобы это объяснить, следует предположить, что электронная конфигурация меняется так, что появляются четыре неспаренных электрона перед тем, как углерод соединяется с четырьмя атомами Х. Такая конфигурация может соответствовать возбужденному состоянию углерода: 1s² 2s 2p_х 2p_у 2p_z.

 

2p

2p

2s

↑

↑

2s

↑

↑

↑

C

↑ ↓

C*

↑

 

Теперь, если у углерода четыре неспаренных электрона, то он должен образовать четыре σ -связи: 3σ _р под углом 90˚ и одну σ _S. Следовательно, из 4-х связей 3 связи должны иметь одинаковую длину, а 4-я – иную. При этом σ _р-связи должны быть короче (р-орбитали более благоприятны для перекрывания), чем σ _S-связь. Но, например, молекула метана СН₄ – правильный тетраэдр и все связи равноценны, несмотря на то, что в их образовании участвуют электроны атома углерода различной категории (s- и p-электроны). Происходит гибридизация АО (смешение) – перераспределение электронной плотности между s- и p-орбиталями с образованием четырех эквивалентных sp³-гибридных АО, каждая из которых имеет одинаковую долю s-характера.

Понятие гибридизации было введено Л. Полингом. Таким образом, гибридизация – это смешение «чистых» АО с образованием более выгодных АО.

Таким образом, для установления строения молекулы необходимо узнать тип гибридизации центрального атома. Однако для определения структуры несимметричных молекул можно использовать модель отталкивания электронных пар валентной оболочки.

Возможности МВС.

1. МВС позволяет объяснить и предсказать строение ряда молекул.

2. Для объяснения строения молекул МВС использует постулат о гибридизации АО в процессе образования химической связи.

3. Гибридизация исходит из принципа равноценности (что не всегда правильно) химических связей данного атома с одинаковыми другими атомами.

4. Гибридные (смешанные) АО обеспечивают лучшее перекрывание с орбиталями других атомов, чем имеющиеся негибридные орбитали. Это обеспечивает образование более прочных химических связей. Типы гибридизации орбиталей sp, sp², sp³ и т.д. Относительная прочность связи 1, 0; 1, 73; 1, 98 и т.д.

5. Образование химических связей за счет гибридных орбиталей компенсирует энергию возбуждения, которая необходима для достижения гибридизированного состояния.

6. Гибридные орбитали располагаются в пространстве в соответствии с принципом минимума их взаимного перекрывания.

7. Гибридизация характеризует весьма важное свойство ковалентной связи – ее направленность. Этим ковалентная химическая связь отличается от ионной, при образовании которой направление не играет роли (электростатическое взаимодействие равновероятно во всех направлениях).

Недостатки МВС.

Не может объяснить реальность молекул с нечетным числом электронов Н₂⁺, NO.

Не может объяснить неустойчивость молекулы Ве₂.

Необъяснима, с точки зрения МВС, химическая связь в металлах.

Выводы о строении молекул не всегда совпадают с магнитными свойствами (например, парамагнетизм кислорода).

Полярность молекул не вытекает из ТВС и др.

В настоящее время разрабатывается и все шире используется для рассмотрения химических связей метод молекулярных орбиталей (ММО). Он менее нагляден, и его выводы находятся в лучшем согласии с экспериментом, чем выводы метода валентных связей.

Метод валентных связей (МВС), достаточно наглядно объясняя образование и структуру многоатомных частиц, в ряде случаев не позволяет объяснить механизм образования химической связи и понять свойства вещества, например магнитные. Вещества, оказывающие сопротивление прохождению магнитного поля больше, чем вакуум и выталкиваемые этим полем – диамагнитны (H₂, N₂, F₂). Вещества, у которых сопротивление прохождению магнитного поля меньше, чем в вакууме - парамагнитные (O₂, B₂, NO) втягиваются магнитным полем. Парамагнетизм обусловлен наличием неспаренных электронов на молекулярных орбиталях. С точки зрения МВС молекула O₂ диамагнитна. Однако эксперимент показывает, что молекула кислорода парамагнитна. Эти некоторые противоречия можно объяснить с позиций метода молекулярных орбиталей, который не только описывает химическую связь, но и позволяет рассчитать ее количественные характеристики.

 

ЛЕКЦИЯ 7 (ТЕМА 1.4).

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: