Направленность ковалентной связи. Гибридизация орбиталей
Направленность ковалентной связи обусловлена определенной направленностью в пространстве p-, d-, f-орбиталей, образующих химическую связь, а также обеспечением оптимальных условий их перекрывания.
При образовании σ-связи с участием s-орбиталей говорить о «направленности» не имеет смысла, т.к. s-орбитали имеют сферическую симметрию. Если связи образуются p-, d- или f-орбиталями, то ковалентная связь – направленная. Например, образование молекулы сероводорода можно представить в виде следующих валентных схем (рисунок 3.6).
Из того, что p-орбитали атома серы ориентированы в пространстве под углом 900, следует ожидать, что молекула H2S имеет угловую структуру, и валентный угол (угол между связями S–H) должен быть таким же (на самом деле 920, что близко к предсказанному МВС).
Рисунок 3.6 – Перекрывание атомных орбиталей при образовании молекулы H2S |
Рисунок 3.7 – Перекрывание атомных орбиталей при образовании молекулы NH3 |
Из валентной схемы образования молекулы NH3 (рисунок 3.7) следует, что она должна быть пирамидальной, и валентные углы в ней также должны быть по 900. Однако с действительностью совпадает только первое утверждение: молекула аммиака действительно имеет пирамидальную структуру, но валентные углы заметно больше ( 1070 ), т.е. ближе к тетраэдрическим.
Подобный прогноз строения молекулы BCl3 еще более не соответствует фактическому ее строению. Прежде всего отметим, что для образования трех связей по обменному механизму атом бора должен быть в возбужденном состоянии:2s12p2:
При таком распределении электронов в образовании трех связей с атомами фтора должны участвовать разные по энергии орбитали атома бора (одна s- и две p-орбитали). Но в таком случае эти связи должны различаться длиной и энергией, что не соответствует действительности: на самом деле все три связи в молекуле BCl3 равноценные. Очевидно, что-то в модели необходимо модернизировать.
Л. Полинг и др. авторы вполне логично исходили из того, что равные по энергии связи могут образоваться атомом при участии равных по энергии его атомных орбиталей, в данном случае – трех равных по энергии валентных орбиталей атома бора. Так были введены представления о том, что в образовании ковалентных связей могут участвовать не только «чистые» атомные орбитали (s-, p-, d- и т.д.), но их «гибриды» в различном сочетании: sp-, dp-, sp2-, sp3-, dsp2-, sp3d-, sp3d2- и др. комбинации (подумайте, а не противоречат ли эти представления принципам квантования орбитального момента электрона, рассмотренным в теме 2?).
Число образующихся гибридных орбиталей равно числу атомных орбиталей, участвовавших в гибридизации (рисунок 3.8). Например, одна s- и одна p-орбитали образуют две sp-гибридных орбитали. При гибридизации одной s- и двух p-орбиталей образуются три гибридных sp2-орбитали. Гибридных орбиталей sp3- и dsp2- образуется по четыре, sp3d – пять, sp3d2 – шесть и т.д.
Рисунок 3.8 – Схема sp2-гибридизации орбиталей атома бора при образовании молекулы BCl3 и sp3-гибридтизации орбиталей атома углерода при образовании молекулы CCl4
Направленность гибридных орбиталей в пространстве определятся тем же, что и «чистых» атомных p-, d-, f-орбиталей, т.е. наименьшим отталкиванием электронов связи друг от друга. Поэтому две гибридные sp- орбитали образуют угол 1800, три гибридные sp2-орбитали ориентированы в плоскости под углом 1200, четыре орбитали при sp3-гибридизации ориентированы к вершинам тетраэдра, а при dsp2- гибридизации – к вершинам квадрата, пять sp3d-орбиталей направлены к вершинам тригональной бипирамиды, а шесть орбиталей sp3d- – к вершинам октаэдра.