Типи гібридизації

sр-Гібридизація. Одна s-АО та одна р-АО утворюють дві гібридні АО. Дві гібридні електронні хмари розташовані у просторі під кутом 180

sр²-Гібридизація. Одна s-АО та дві р-АО утворюють три гібридні АО. Три гібридні електронні хмари розташовані у просторі під кутом 120⁰:

sр³-Гібридизація. Одна s-АО та три р-АО утворюють чотири гібридні АО. Чотири гібридні електронні хмари орієнтовані у просторі від центра тетраедра до його вершин, тобто під кутами ~ 109⁰:

Типи молекул

Залежно від просторового положення зв’язків у молекулах та їх полярності розрізняють неполярні та полярні молекули.

В неполярних молекулах центри позитивних та негативних зарядів збігаються:

Полярні молекули є диполями, тобто системами, в яких центри позитивних та негативних зарядів розміщені на деякій відстані один від одного:

Слід розрізняти полярність зв`язку і полярність молекули. Для двохатомних молекул ці поняття збігаються. Якщо зв`язок між двома атомами такої молекули є неполярним, то і молекула теж неполярна. В свою чергу молекула є полярною, якщо між двома атомами, з яких складається молекула, існує полярний зв`язок.

Багатоатомна молекула, як і двохатомна, теж є неполярною, якщо зв`язок між атомами є неполрним. Але у багатоаомних молекулах зв`язок між атомами може бути полярним, а самі молекули залежно від просторової будови можуть бути як полярними, так і неполярними.

Приклад 1. Складіть електронні конфігурації атомів та наведіть схеми перекривання електронних хмар атомів в молекулах:

а) BCl₃; б) H₂Sе; в) H₂O.

Вкажіть тип хімічного зв’язку між атомами. У випадку гібридизації АО вкажіть її тип. Полярними чи неполярними є молекули?

Розв’язання.

Складаємо електронні конфігурації центральних атомів, що підкреслені, та оточуючих їх атомів елементів в наведених в умові молекулах.

а) В 1s²2s²2p¹

Cl 1s²2s²2p⁶3s²3p²_xp²_yp¹_z

Атом бору у нормальному стані містить один неспарений електрон, тобто є одновалентним. А в молекулі BCl₃ валентність бору становить ІІІ, отже, його атом в молекулі знаходиться у збудженому стані: В* 1s²2s¹2p¹_хр¹_уp_z.

За числом зв’язуючих АО, тобто АО з неспареними електронами, які розташовані на різних підрівнях (одна АО на s-підрівні та дві АО на р-підрівні), визначаємо тип гібридизації: sp²-гібридизація.

Внаслідок перекривання трьох гібридних електронних хмар атома бору, розміщених у площині під кутом 120⁰, з р-електронними хмарами неспарених електронів трьох атомів хлору утворюється молекула BCl₃, що має форму трикутника:

Різниця електронегативностей бору та хлору становить:

χ = χ(Cl) – χ (В) = 3,0-2,0 = 1; χ<2.

Отже, між атомом бору та атомами хлору виникає ковалентний полярний зв’язок. Спільні електронні пари зміщуються до атомів більш електронегативного елемента, тобто до атомів хлору, На атомах хлору виникає негативний ефективний заряд „-δ”, а на атомі бору – позитивний „+3δ”. Молекула BCl₃ є неполярною, тому що центри позитивних та негативних зарядів збігаються у центрі трикутника.

б) Se 1s²2s²2p⁶3s²3р⁶3d¹⁰4s²4p²_xp¹_yp¹_z

Н 1s¹

Атом селену в молекулі H₂Sе знаходиться у нормальному стані, тому що число неспарених електронів в атомі (два) відповідає валентності селену в сполуці. Оскільки зв’язуючі АО селену, тобто АО з неспареними електронами, розміщені на одному і тому ж підрівні (р-підрівні), то гібридизація АО не відбувається. В утворенні зв’язків з атомами гідрогену беруть участь дві р-електронні хмари атома селену, розташовані у просторі вздовж координатних осей під кутом 90⁰. Отже, молекула H₂Sе є кутовою.

Між атомом селену та атомами гідрогену виникає ковалентний полярний зв’язок: χ = χ(Se) – χ(Н) = 2,4 – 2,1 = 0,3, χ<2. Оскільки спільні електронні пари зміщені до атома селену, то на атомі селену виникає негативний ефективний заряд „-2δ”, а на атомах гідрогену – позитивний „+δ”.

М олекула H₂Sе є полярною, тому що центри позитивних та негативних зарядів розміщені на певній відстані один від одного: центр негативних зарядів знаходиться у центрі координатних осей, а центр позитивних – посередині лінії, яка зв’язує ядра атомів гідрогену (на малюнку позначений хрестиком).

в) О 1s²2s²2p²_xp¹_yp¹_z

Н 1s ¹

В атомі оксигену, на відміну від атома селену, відбувається sp³-гібридизація АО: дві незв’язуючі АО, тобто АО зі спареними електронами (2s²- та 2р²_х-АО) та дві зв’язуючі АО, тобто АО з неспареними електронами (2p^↑_y та 2p^↑_z-АО), при змішуванні утворюють чотири гібридні АО. Але в утворенні зв’язку беруть участь тільки дві зв’язуючі АО. Внаслідок перекривання двох гібридних електронних хмар атома оксигену з s-електронними хмарами атомів гідрогену утворюється кутова молекула.

Гібридизацією АО пояснюється те, що валентний кут між зв’язками у молекулі Н₂О близький до тетраедричного (104,5⁰) на відміну від валентного кута в молекулі H₂Sе (91⁰).

Зв’язок між атомом оксигену та атомами гідрогену також є ковалентним полярним, тому що різниця електронегативностей оксигену та гідрогену становить: χ = χ(О) – χ(Н) = 3,5 – 2,1 = 1,4; тобто χ < 2.

Більш електронегативним елементом є оксиген, тому на його атомі виникає негативний ефективний заряд „-2δ”, а на атомах гідрогену – позитивний „+δ”.

Молекула Н₂О за таких же причин, що і молекула H₂Sе, є полярною.