Гибридизация атомных орбиталей

Рассмотрим атом углерода 1s22s22p2.

В возбуждённом состоянии у него 4 неспаренных электрона 2s12p3

Атом углерода должен образовывать четыре неравноценные связи: три связи направленные под углом 900 друг к другу (р – электроны), и одну связь, образованную s-электроном с произвольным направлением (s-электроны).

Однако все связи углеродного атома равноценны и направлены к вершинам тетраэдра (угол 109,50).

Гибридизация – это изменение формы атомной орбитали за счет комбинации с другими атомными орбиталями иной симметрии этого же атома, в результате возникают новые гибридные атомные орбитали промежуточной формы.

Гибридная орбиталь вытянута в одну сторону от ядра, что обуславливает более сильное перекрывание таких орбиталей, чем негибридных, с орбиталями электронов других атомов.

Волновая функция гибридной орбитали:

гибрид =а s +b р(х)+с р(у) +d р(z) , а, b, с, d- коэффициенты. Гибридизация одной s и одной р-орбиталей.

1=а1 s+b1 р

2=а2 s+b2 р

Для нахождения а1, а2, b1, b2 составим 4 уравнения :

Этим уравнениям отвечают значения коэффициентов

а1=а2=b1=-b2=1/ 2.

Волновые гибридные функции определяются уравнениями :

1= (1/ 2)( s+ р) 2= (1/ 2)( s - р).

Условия устойчивости гибридизации:

1)По сравнению с исходными атомными орбиталями гибридная должна более полно перекрываться с орбиталью соседнего атома при образовании связи.

2)В гибридизации могут участвовать атомные орбитали, которым соответствуют близкие энергетические уровни.

3)В гибридизации могут участвовать атомные орбитали с достаточно высокой электронной плотностью, с тем, чтобы при перекрывании гибридных атомных орбиталей был заметен выигрыш энергии по сравнению с перекрыванием исходных атомных орбиталей.

Виды гибридизации

sр – составлены из одной s– и одной р - орбитали, всего их 2.

Две sр - гибридные орбитали расположены на прямой линии, угол между ними 1800.

Пример: Молекула ВеН2 имеет две равноценные связи Ве-Н, расположенные под углом 1800. Связь Ве-Н полярная, из-за разной ЭО бериллия и водорода, но молекула в целом неполярна ),т.к. связи имеют противоположные направления. Из-за взаимного перекрывания всех неспаренных электронов молекула диамагнитна.

sр2- составлены из одной s и двух р - орбиталей, всего их 3.

Три sр2–гибридные связи образуют правильный треугольник, атом в центре, угол между связями 1200. Пример: Молекула ВF3 имеет три равноценные связи, расположенные под углом 1200 . Связи полярные, т.к. бор и фтор имеют разные ЭО, но молекула в целом неполярна ( ), т.к. она симметричная с одинаковыми заместителями. Из-за взаимного перекрывания всех неспаренных электронов молекула диамагнитна.

sp3 - составлены из одной s и трёх р - орбиталей, всего их 4.

Четыре sp3–гибридных связи образуют тетраэдр (правильная трехгранная призма, в центре которой – атом), угол между связями – 109028'.

Пример: В молекуле метана у углерода четыре равноценных связей. Вследствие отсуствия неспаренных электронов молекула диамагнитна. Молекула неполярна, хотя связи С-Н полярны.

Пространственная структура молекул

Двухатомные молекулы всегда линейны.

Геометрия трехатомных молекул зависит от характера гибридизации орбиталей центрального атома.

Состояние sp-гибридизации-молекула линейна.

Пример: СО2. Атомы кислорода соединены - связью с sp - гибридными орбиталями углерода, а оставшиеся две р - орбитали углерода перекрываются с р - орбиталями кислорода, давая -связи.

В молекуле СО2 имеются две двойные связи во взаимно перпендикулярных плоскостях. О=С=О

Состояние sp3-гибридизации - угловая структура

Пример: В молекуле воды угол Н-С-Н составляет 105о, близок к тетраэдрическому. Считается, что в молекуле воды имеет место sp3-гибридизация орбиталей кислорода. На двух орбиталях размещается по одному электрону, которые образуют связи с атомами водорода, а две орбитали занимают не поделенные электронные пары кислорода.