Гибридизация атомных орбиталей

Перестройка электронной структуры атома, представляет собой гибридизацию атомных орбиталей. Из исходных s-, p-, d-орбиталей (электронных облаков) образуются равноценные гибридные орбитали (электронные облака), вытянутые по направлению к соседним атомам. При этом обеспечивается более полное перекрывание с облаками этих соседних атомов, что приводит к выигрышу энергии, достаточному, чтобы с избытком компенсировать затраты на деформацию исходных электронных облаков.

sp-Гибридизация происходит у орбиталей атомов элементов II группы периодической системы Д.И. Менделеева, при образовании галогенидов. Атомы этих элементов в нормальном состоянии имеют во внешнем уровне два спаренных s-электрона. В результате возбуждения один из s-электронов переходит в р-состояние, появляются два неспаренных электрона, один из которых s-электрон, другой р-электрон

Энергия электронов р-подуровня выше, чем энергия электронов s-подуровня. Из исходных s- и р-орбиталей возбужденного атома бериллия (Be^*) образуются две гибридные, одинаковые по энергии орбитали (облака) в форме неправильной гантели, расположенные под углом 180^о друг к другу

При взаимодействии с р-орбиталями хлора, происходит перекрывание электронных облаков вдоль линии, соединяющей ядра взаимодействующих атомов. Форма молекул при sp-гибридизации линейная

sp²-Гибридизация происходит у орбиталей атома бора и его аналогов. Возбужденный атом бора обладает тремя неспаренными электронами – одним s-электроном и двумя р-электронами

Из трех орбиталей образуются три эквивалентные sp²-гибридные орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120^о друг к другу

Электронно-графическая формула фтора

В образовании молекулы ВF₃ участвуют 3 гибридных электронных облака атома бора и три р-электронных облака атома фтора. Форма молекул молекулы ВF₃ – правильный треугольник на плоскости

sp³-Гибридизация характерна для атомов углерода и его аналогов – кремния, германия. Из одной s- и трех р-орбиталей атомов в возбужденном состоянии образуются четыре гибридных орбитали, расположенные под углом 109,5^о друг к другу, они направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом углерода; ребрами тетраэдра являются диагонали сторон куба

Молекула СН₄ имеет форму тетраэдра, причем все четыре С-Н связи сигма (σ) равноценны

Пространственная структура СН₄

В таблице даны типы гибридизации орбиталей и «архитектуры» молекул.

Гибридизация орбиталей и пространственная конфигурация молекул

Тип молекулы	Исходные орбитали атома А	Тип гибридизации	Число гибридных орбиталей атома А	Пространственная конфигурация молекулы
АВ2 АВ3 АВ4	s + p s + p + p s + p + p + p	sp sp2 sp3	2 3 4	линейная треугольная тетраэдрическая

При образовании двойных, тройных связей в органических соединениях (этилен, ацетилен) происходит перекрывание р-электронных облаков в плоскостях, перпендикулярно σ-связям и образование π-связей.

Металлическая связь

Атомы большинства металлов на внешнем энергетическом уровне содержат небольшое число электронов (1, 2. 3), это в основном s- и d-элементы. В обычных условиях металлы - кристаллические вещества (кроме ртути). На рисунке представлена схема кристаллической решетки натрия.

Кристаллическая решетка натрия

Как видно, каждый атом натрия окружен восемью соседними атомами. У атома натрия, как и у других металлов, имеется избыток валентных орбиталей и недостаток электронов. При сближении атомов в результате образования кристаллической решетки валентные орбитали соседних атомов перекрываются, благодаря чему электроны свободно перемещаются из одной орбитали в другую, осуществляя связь между всеми атомами кристалла металла. Такой тип химической связи называется металлической.

Между ковалентной и металлической связью имеется большое сходство – оба типа химической связи основаны на обобществлении валентных электронов. Только в металлах обобществленные электроны обслуживают весь кристалл, то есть они полностью делокализованы. Электроны, осуществляющие связь, обобществлены («электронный газ») и перемещаются по всему объему металла, в целом электронейтрального. Этим объясняется отсутствие пространственной направленности металлической связи и высокие координационные числа металлических структур. Это означает, что металлическая связь не проявляет свойств насыщаемости, столь характерных для ковалентной связи. Делокализация же валентных электронов в металлах является следствием многоцентрового характера металлической связи и причиной хорошей электро- и теплопроводности металлов, пластичности и ковкости. Для веществ с ковалентной связью при отсутствии примесей электропроводность может быть обеспечена только в результате разрушения этих связей. Объясняется это тем, что ковалентная связь соединяет только два соседних атома, а общие электроны пребывают в непосредственной близости от них и прочно с ними связаны.

Металлическая связь – многоцентровая химическая связь с дефицитом электронов, основанная на обобществлении внешних электронов атомов. Таким образом, металлическая связь характерна только для конденсированного состояния вещества. В паро- и газообразном состоянии атомы всех веществ, в том числе и металлов, связаны между собой только ковалентной связью.

Аналогия между ковалентной и металлической связями подтверждается распределением электронной плотности между атомными остовами. Для обоих типов связей в пространстве между атомными остовами сохраняется значительная электронная плотность, образуя электронные мостики между взаимодействующими атомами.

Разница заключается в том, что в ковалентной связи электронные мостики имеют строго определенное пространственное направление, а у металлической связи электронная плотность равномерно распределена по всем направлениям. В результате в решетке типичных металлов все атомы кристаллографически эквивалентны и эффективные заряды атомов равны нулю.