Атом орбитальдарының гибридтелуі (sp, sp2, sp3) және молекула геометриясы. Химия, 10 сынып, дидактикалық материал, 3 сабақ.

Дидактикалық материалдар

Гибридтену — пішіндері әр түрлі, энергиялары шамалас орбитальдардың араласып, пішіні, энергиясы, байланыс бұрышы, т.б. сипаттамалары бірдей гибридтенген жаңа орбитальдар түзілуі.

АВn формуласы

Құрамы АВn формуласымен өрнектелетін молекулалардағы көпвалентті А атомы орталық атом, ал онымен тікелей байланысқан В атомдары лиганд деп аталады. Орталық атоммен тікелей байланысқан шеткі атомдардың (лигандтардың) саны n - орталық атомның координаңиялық саны деп аталады, оның мәні ВБ әдісі бойынша орталық атомның сигма-байланыстар түзуге жүмсайтын орбитальдарының санына тең болады. АВn молекуласындағы ВАВ бұрышы валенттік бұрыш деп аталады.

Гибридтену теориясы бойынша молекуланың (ионның) кеңістіктегі құрылысы орталық атомның о-байланыстар түзуге жұмсайтын орбитальдарының типіне байланысты болады.

Орталық атомның $-байланыстар түзуге жұмсайтын орбитальдарының типі және молекулалардың геометриялық пішіні

АВ2

3 sp3 орбитальдар

Кестеден құрамы АВ2, формуласымен өрнектелетін екікоординациялы молекулалар мен иондардың құрылысы екі түрлі болатыны көрінеді. Орталық атом байланыс түзуге sр-гибридті орбитальдарын пайдаланса түзу сызықты, ал таза р2-орбитальдарын пайдаланса бұрышты молекула шығады.

АВ3

Үшкоординациялы АВ3 молекулаларында (иондарында) орталық атом байланыс түзуге sр2- немесе р3- орбитальдарын пайдалануы мүмкін, осыған сәйкес мүндай молекулалардың құрылысы жазық үшбұрышты немесе пирамидалы болады.

4 sp3 орбитальдар

АВ4

Төрткоординациялы АВ4 молекулаларының (иондарының) құрылысы тетраэдрлі немесе жазық квадратты болады. Тетраэдрлі молекулалар мен иондар өте көп, мысалы СН4, SІН4, SіСl4, NН4+, ВҒ4_. Мұндай молекулаларда орталық атом байланыс түзуге sр3-гибридті орбитальдарын пайдаланады, валенттік бұрыштың теориялық мәні 109°28.

Жазық квадратты құрылым металл кешендеріне тән, бейметалдардың қосылыстарының ішінде сирек кездеседі, мысалы, ХеҒ4, JСl4. Жазық квадратты молекулалар мен иондарда орталық атом - байланыстар түзуге квадрат төбелеріне қарай бағытталған sp3d (дәлірек sp2d x2-y2) - гибридті орбитальдарын жүмсайды, валенттік бұрыштың теориялық мәні - 90°.

АВ5

Бес координациялы АВ5 молекулаларында орталық атом байланыстар түзу үшін sp3d - гибридтелген бес орбиталін жұмсайды. Мұндай орбитальдардың екі түрі болады: бірінде гибридтенуге dz2 - орбиталі, ал екіншісінде d x2-y2-орбиталі қатысады. sp2,sp2dz2 - орбитальдар үшбұрышты бипирамида төбелеріне,sp3d x2-y2 - орбитальдар квадратты пирамиданың бұрыштарына бағытталған. Белгілі АВ5молекулаларының басым көпшілігінің құрылысы үшбұрышты бипирамида сияқты, мысалы, РҒ5, РСl5, SbСl5. Сондықтан АВ5молекулаларындағы орталық атом байланыстар түзуге sp3dz2 - орбитальдарын пайдаланады деп есептелінеді. Үшбұрышты бипирамиданың табанын құрайтын үшбұрыш төбелеріндегі лигандтар - экваториялы лигандтар деп, ал үшбұрыштың үсті мен астында орналасқан лигандтар - аксиал лигандтар деп аталады. Екі экваторы лиганд пен орталық атом түзетін ВАВ бұрышы 120°, экваториялы лиганд орталық атом және аксиалды лиганд түзетін ВАВ бұрышы 90°, ал орталық атом мен екі аксиалды лигандтан түзілетін ВАВ бұрышы 180°.

АВ6

Алтыкоординациялы АВ6 молекуласындағы орталық атом s-байланыстар түзуге октаэдр төбелеріне бағытталған sp3d2(дәлірек sp3x2-y2 ,dz2) - гибридті орбитальдарын пайдаланады, демек мұндай молекулалардың құрылысы октаэдр тәрізді болады. Мысалы, SF6, SeF6, ТеҒ6.

АВ7

Құрамы АВ7 болып келетін жетікоординациялы молекулалар мен иондар өте сирек кездеседі. Металл еместердің мұндай қосылыстарының бірден-бір мысалы ретінде, ІF7 молекуласын атауға болады. Бұл молекуланың құрылысы бесбұрышты бипирамида сияқты, иод атомы сигма-байланыстар түзуге бесбұрышты бипирамида төбелеріне бағытталған sp³d³ - гибридті орбитальдарын жұмсайды.

Орталық атомның гибридтелген таза р3- және р2- орбитальдары қатысқанда түзілетін АВ3 және АВ7 молекулаларының құрылысындағы кейбір ерекшеліктерге тоқталайық. V топтың негізгі топшасындағы элементтердің валенттік қабатында үш жалқы электрон бар. Демек, бұл элементтер үшкоординациялы қосылыстар түзуге таза р3-орбитальдарын пайдаланып, пирамидалы молекула түзеді. Пирамидалы АВ3молекуласындағы валенттік ВАВ бұрышының теориялық мәні - 90° демек, NH3, РН3, AsH3, SbH3 сияқты үшкоординациялы молекулалардағы НЭН бұрышының мәні 90° болу керек, ал валенттік бұрыштың тәжірибеде байқалатын мәндері төменде көрсетілгендей:

РН3, AsH, және SbH3 молекулаларындағы валенттік бұрыштың мәні теориялық мәнге жуық, ал NH молекуласындағы валенттік бұрыш теориялық мәннен өте көп ауытқыған. Бұл құбылысты түсіндіретін бірнеше гипотеза бар. Соның бірі - біршама оң зарядталған сутек атомдарының тебісуі. Гибридтену теориясында қабылданған екінші гипотеза бойынша бұл құбылыс былай түсіндіріледі. Үшінші және үлкен периодта орналасқан Р, As, Sb сияқты шементтер байланыс түзуге таза р3-орбитальдарын, ал екінші периодтағы азот - 8р3-гибридті орбитальдарын пайдаланады. Сондықтан РН3, AsH3, SbH, валенттік бұрыш 90°, ал NH3 109°-қа жуық болады.

Алтыншы топтың негізгі топшасында орналасқан элементтердің валенттік қабатындағы р-орбитальдарында екі жалқы электрон бар, демек, бұл элементтер екікоординациялы ЭХ2 (X- Н, F, С1 кез-келген бір валентті атом немесе радикал) қосылыстар түзуге р2- орбитальдарын пайдаланады. Сондықтан ОН2, SH2, SeH2, ТеН2 молекуласындағы бұрыш 90° болу керек, бірақ іс жүзінде:

СH₄ молекуланың құрылысы

SH₂, SeH₂ және ТеН₂ молекулаларындағы валенттік бұрыш 90°-қа жуық болады да, ал су молекуласындағы бұрыш 90° гөрі тетраэдрлік мәнге 109,5° жақындау болады. Бұл құбылыс жоғарыдағыдай түсіндіріледі. Екінші периодтың элементі оттек байланыс түзуге sр3-гибридті орбитальдарын, ал үшінші және үлкен периодтағы S, Se және Те р2- орбитальдарын пайдаланады.

Сонымен екінші периодта орналасқан азот пен оттек өздерінің ұқсастары сияқты байланыс түзуге таза р3- және р2-орбитальдар емес, көміртек сияқты sр3 -гибридті орбитальдарды пайдаланады. Сол себептен NH3 пен ОН2 молекулалары СН4 молекуласыныкіне ұқсас болады.

Бірақ метан молекуласында тетраэдрдің төрт төбесінің төртеуінде де сутек атомдары орналасқан, ал NH3 пен ОН2 молекулаларында бір және екі төбелеріне пайдаланылмаған электрондық жұптар орналасқан. СН4, NH3 және ОН2 молекулаларының барлығында да 8р3-гибридті орбиталь пайдаланылатындықтан, бұл молекулалардағы валенттік бұрыш 109,5° болу керек. Бірақ іс жүзінде СН4 - NH, - ОН2 қатары бойынша валенттік бұрыштың мәні 109,5°-тан 104,5°-қа дейін төмендейді. Бұл былай түсіндіріледі: С - N - О қатары бойынша 2s- және 2р-орбитальдарының энергияларындағы айырмашылық ұлғаяды да, 2s-орбитальдардың гибридтенуге қосатын үлесі азаяды. Осының салдарынан валенттік бұрыш тетраэдрлік мәннен кішірейеді.

Концепция гибридизации

Схема гибридизации атомных орбиталей атома углерода

Концепция гибридизации валентных атомных орбиталей была предложена американским химиком Лайнусом Полингом для ответа на вопрос, почему при наличии у центрального атома разных (s, p, d) валентных орбиталей, образованные им связи в многоатомных молекулах с одинаковыми лигандами оказываются эквивалентными по своим энергетическим и пространственным характеристикам.

Представления о гибридизации занимают центральное место в методе валентных связей. Сама гибридизация не является реальным физическим процессом, а только удобной моделью, позволяющей объяснить электронное строение молекул, в частности гипотетические видоизменения атомных орбиталей при образовании ковалентной химической связи, в частности, выравнивание длин химических связей и валентных углов в молекуле.

Концепция гибридизации с успехом была применена для качественного описания простых молекул, но позднее была расширена и для более сложных. В отличие от теории молекулярных орбиталей не является строго количественной, например, она не в состоянии предсказать фотоэлектронные спектры даже таких простых молекул, как вода. В настоящее время используется в основном в методических целях и в синтетической органической химии.

В 1954 году Нобелевский комитет удостоил Л.Полинга премии по химии «За изучение природы химической связи и его применение к объяснению строения сложных молекул». Но сам Л.Полинг не был удовлетворён введением σ,π — описания для двойной и тройной связии сопряжённых систем.

В 1958 году на симпозиуме, посвящённом памяти Кекуле, Л. Полинг развил теорию изогнутой химической связи, учитывающую кулоновское отталкивание электронов. По этой теории двойная связь описывалась как комбинация двух изогнутых химических связей, а тройная связь как комбинация трёх изогнутых химических связей.

Этот принцип нашёл отражение в теории отталкивания электронных пар Гиллеспи — Найхолма, первое и наиболее важное правило которое формулировалось следующим образом:

«Электронные пары принимают такое расположение на валентной оболочке атома, при котором они максимально удалены друг от друга, т.е электронные пары ведут себя так, как если бы они взаимно отталкивались».

Второе правило состояло в том, что «все электронные пары, входящие в валентную электронную оболочку, считаются расположенными на одинаковом расстоянии от ядра».

Виды гибридизации

sp-гибридизация

sp-гибридизация

Происходит при смешивании одной s- и одной p-орбиталей. Образуются две равноценные sp-атомные орбитали, расположенные линейно под углом 180 градусов и направленные в разные стороны от ядра центрального атома. Две оставшиеся негибридные p-орбитали располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях и участвуют в образовании π-связей, либо занимаются неподелёнными парами электронов.

sp2-гибридизация

sp2-гибридизация

Происходит при смешивании одной s- и двух p-орбиталей. Образуются три гибридные орбитали с осями, расположенными в одной плоскости и направленными к вершинам треугольника под углом 120 градусов. Негибридная p-атомная орбиталь перпендикулярна плоскости и, как правило, участвует в образовании π-связей

sp3-гибридизация

sp3-гибридизация

Происходит при смешивании одной s- и трех p-орбиталей, образуя четыре равноценные по форме и энергии sp3-гибридные орбитали.

Оси sp3-гибридных орбиталей направлены к вершинам тетраэдра, тогда как ядро центрального атома расположено в центре описанной сферы этого тетраэдра. Угол между любыми двумя осями приближённо равен 109°28', что соответствует наименьшей энергии отталкивания электронов. Также sp3-орбитали могут образовывать четыре σ-связи с другими атомами или заполняться неподеленными парами электронов. Такое состояние характерно для атомов углерода в насыщенных углеводородах и соответственно в алкильных радикалах и их производных.

Гибридизация и геометрия молекул

Представление о гибридизации атомных орбиталей лежит в основе теории отталкивания электронных пар Гиллеспи-Найхолма. Каждому типу гибридизации соответствует строго определённая пространственная ориентация гибридных орбиталей центрального атома, что позволяет её использовать как основу стереохимических представлений в неорганической химии.

В таблице приведены примеры соответствия наиболее распространённых типов гибридизации и геометрической структуры молекул в предположении, что все гибридные орбитали участвуют в образовании химических связей (отсутствуют неподелённые электронные пары).

Гибридизация атомных орбиталей

Валентные электроны атома углерода располагаются на одной 2s-орбитали и двух 2р-орбиталях. 2р-Орбитали расположены под углом 90° друг к другу, а 2s-орбиталь имеет сферическую симметрию. Таким образом, расположение атомных орбиталей углерода в пространстве не объясняет возникновения в органических соединениях валентных углов 109,5°, 120° и 180°.

Чтобы разрешить это противоречие, было введено понятие гибридизации атомных орбиталей. Для понимания природы трех вариантов расположения связей атома углерода понадобились представления о трех типах гибридизации.

Возникновением концепции гибридизации мы обязаны Лайнусу Полингу, много сделавшему для развития теории химической связи.

Концепция гибридизации объясняет, каким образом атом углерода видоизменяет свои орбитали при образовании соединений. Ниже мы будем рассматривать этот процесс трансформации орбиталей постадийно. При этом надо иметь в виду, что расчленение процесса гибридизации на стадии или этапы есть, на самом деле, не более чем мысленный прием, позволяющий более логично и доступно изложить концепцию. Тем не менее заключения о пространственной ориентации связей углеродного атома, к которым мы в итоге придем, полностью соответствуют реальному положению дел.

Электронная конфигурация атома углерода в основном и возбужденном состоянии

На рисунке слева показана электронная конфигурация атома углерода. Нас интересует только судьба валентных электронов. В результате первого шага, который называют возбуждением или промотированием, один из двух 2s-электронов перемещается на свободную 2р-орбиталь. На втором этапе происходит собственно процесс гибридизации, который несколько условно можно представить себе как смешение одной s- и трех р-орбиталей и образование из них четырех новых одинаковых орбиталей, каждая из которых на одну четверть сохраняет свойства s-орбитали и на три четверти — свойства р-орбиталей. Эти новые орбитали получили название sp³-гибридных. Здесь надстрочный индекс 3 обозначает не число электронов, занимающих орбитали, а число р-орбиталей, принявших участие в гибридизации. Гибридные орбитали направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом углерода. На каждой sp³-гибридной орбитали находится по одному электрону. Эти электроны и участвуют на третьем этапе в образовании связей с четырьмя атомами водорода, образуя валентные углы 109,5°.

sp3 — гибридизация. Молекула метана.

Образование плоских молекул с валентными углами 120° показано на рисунке ниже. Здесь, как и в случае  sp³-гибридизации, первый шаг — возбуждение. На втором этапе в гибридизации участвуют одна 2s- и две 2р — орбитали, образуя три sр² -гибридных орбитали, расположенных в одной плоскости под углом 120° друг к другу.

Образование трех sр2-гибридных орбиталей

Одна p-рорбиталь остается негибридизованной и располагается перпендикулярно плоскости  sр²–гибридных  орбиталей. Затем (третий шаг) две sр²-гибридные орбитали двух углеродных атомов объединяют электроны, образуя ковалентную связь. Такая связь, образующаяся в результате перекрывания  двух атомных орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра атома, называется σ -связью.

Образование сигма — и пи-связей в молекуле этилена

Четвертый этап — образование второй связи между двумя углеродными атомами. Связь образуется в результате перекрывания обращенных друг к другу краев негибридизованных 2р-орбиталей и называется π-связью. Новая молекулярная орбиталь представляет собой совокупность двух занятых электронами  π-связи областей — над и под σ-связью. Обе связи (σ и π ) вместе составляют двойную связь между атомами углерода. И наконец, последний, пятый шаг — образование связей между атомами углерода и водорода с помощью электронов четырех оставшихся sр²-гибридных орбиталей.

Двойная связь в молекуле этилена

Третий, последний тип гибридизации, показан на примере простейшей молекулы, содержащей тройную связь,- молекулы ацетилена. Первый шаг — возбуждение атома, такой же, как раньше. На втором этапе происходит гибридизация одной 2s- и одной 2р-орбиталей с образованием двух sр-гибридных орбиталей, которые располагаются под углом 180°. И остаются не измененными две 2р-орбитали, необходимые для образования двух  π-связей.

Образование двух sр-гибридных орбиталей

Следующий шаг — образование σ-связи между двумя sр-гибридизованными углеродными атомами, затем образуются две  π-связи. Одна  σ-связь и две  π-связи между двумя атомами углерода вместе составляют тройную связь. И наконец, образуются связи с двумя атомами водорода. Молекула ацетилена имеет линейное строение, все четыре атома лежат на одной прямой.

Мы показали, каким образом три основных в органической химии типа геометрии молекул возникают в результате различных трансформаций атомных орбиталей углерода.

Можно предложить два способа определения типа гибридизации различных атомов в молекуле.

Способ 1. Наиболее общий способ, пригодный для любых молекул. Основан на зависимости валентного угла от гибридизации:

а) валентные углы 109,5°, 107° и 105° свидетельствуют об sр³-гибридизации;

б) валентный угол около 120° -sр²-гибридизация;

в) валентный угол 180°-sp-гибридизация.

Способ 2. Пригоден для большинства органических молекул. Поскольку тип связи (простая, двойная, тройная) связан с геометрией, можно по характеру связей данного атома определить тип его гибридизации:

а)  все связи простые – sр³-гибридизация;

б) одна двойная связь – sр² -гибридизация;

в) одна тройная связь — sp-гибридизация.

Гибридизация  — это мысленная операция превращения обычных (энергетически наиболее выгодных) атомных орбиталей в новые орбитали, геометрия которых соответствует экспериментально определенной геометрии молекул.