Гибридизация атомных орбиталей

•Вспомните пространственное строение молекулы метана.

•С какой целью были введены представления о гибридизации орбиталей атома углерода?

При объяснении форм молекул можно использовать и представления о гибридизации орбиталей. В этом случае предполагают, что валентные орбитали атомов при образовании молекул гибридизуются — выравниваются по форме и энергии.

При изучении курса органической химии вы ознакомились с sp-, sp2- и sp3-гибридизацией орбиталей в атомах углерода. Однако такой процесс можно представить и для других атомов. От типа гибридизации орбиталей атома зависят углы между связями при нём: 180° при sp-гибридизации, 120° при sp2-гибридизации и 109° при sp3-гибридизации.

Например, можно представить, что при образовании фторида бериллия BeF2 происходит sp-гибридизация. Размещение электронов в атомах бериллия следующее:

Так как в атоме бериллия на втором энергетическом уровне имеются свободные р-орбитали, то возможно распаривание 2s-электронов:

s-Орбиталь имеет шарообразную форму, а р-орбиталь — гантелеобразную. Гибридизацию этих электронных орбиталей и их расположение в пространстве можно изобразить так:

40

Две образовавшиеся sр-гибридные орбитали атома бериллия ориентируются под углом 180° по отношению друг к другу. В таком положении

они перекрываются с р-орбиталями атома фтора. В результате образуется молекула линейной формы BeF2:

Такое же строение имеют молекулы ацетилена C2H2, оксида углерода(IV) CO2, циановодорода HCN и др.

Примером молекулы, строение которой объясняется sp2-гибридизацией, является молекула хлорида бора BCl3. Расположение электронов по орбиталям в атоме бора следующее:

При поступлении энергии происходит распаривание 2s-электронов и в атоме бора появляются три неспаренных электрона:

При sр2-гибридизации образуются три гибридные орбитали, которые лежат в одной плоскости и ориентированы по отношению друг к другу под углом 120°:

Эти три гибридные орбитали перекрываются с р-электронными орбиталями атома хлора, и образуется плоская молекула треугольной формы — BCl3 (рис. 10).

В процессе sp3-гибридизации образуются четыре гибридные орбитали, вытянутые концы которых направлены к вершинам тетраэдра, т. е. ориен-

41

ли р-электронов располагаются в пространстве взаимно перпендикулярно. Поэтому угол между ними должен быть 90°, а не 104,5° или 107,3°. Заду-

мываясь над этим вопросом, учёные пришли к выводу, что при образовании молекул воды и аммиака, так же как и при образовании молекул метана, происходит гибридизация орбиталей по типу sp3.

Возникает и такой вопрос: если для молекул воды и аммиака характерна sp3-гибридизация орбиталей, то почему угол между связями получается значительно меньше по сравнению с тетраэдрическим? Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к схемам строения молекул метана СН4, аммиака NH3 и воды Н2О (см. рис. 11). Как видно из рисунка, у атома углерода все четыре sp3-гибридные орбитали заполнены связывающими электронными парами, у атома азота — только три (четвёртая sp3-гибридная орби-

Рис. 11. Образование молекул метана (а), аммиака (б) и воды (в) в результате перекрывания s-орбиталей атомов водорода с sр3-гибридными орбиталями центрального атома

42

таль заполнена неподелённой электронной парой). У атома же кислорода связывающими электронными парами заняты только две sp3-гибридные орбитали, а две другие заполнены неподелёнными электронными парами. Следовательно, отклонение от тетраэдрического угла (109° 28′) обусловлено

действием неподелённых электронных пар. У атома азота одна такая пара, поэтому угол отклонения от тетраэдрического небольшой и составляет 107,3°. У атома кислорода их уже две, поэтому угол отклонения больше и составляет 104,5°. (Трактовка понятия гибридизации в случае молекулы

воды условна.)

По сравнению с методом Гиллеспи метод гибридизации более громоздкий и морально устаревший, однако иногда его используют.

Гибридизация атомных орбиталей

1.Приведите примеры образования молекул органических и неорганических веществ на основе sp-, sp2- и sp3-гибридизации.

2.Что общего у молекул метана, аммиака и воды и чем они различаются по строению?

3.Охарактеризуйте строение молекулы воды. Укажите вид связей, их количество, полярность. Как осуществляется перекрывание электронных орбиталей при образовании связей? Какую геометрическую форму имеет молекула?

4.Составьте структурную формулу четырёххлористого углерода. Определите вид химической связи в этом соединении, тип гибридизации орбиталей атома углерода и форму молекулы.

5.К 200 г раствора, содержащего 24 % нитрата калия, добавили 800 мл воды. Определите массовую долю (в процентах) нитрата калия в полученном растворе.

Ямогу объяснить пространственное строение молекул органических и не-

органических соединений с помощью представлений о гибридизации орби-

талей

43