Меню
Главная
Случайная статья
Настройки
|
Гибридизация орбиталей — процесс смещения различных атомных орбиталей (s, p, d, f) центрального атома многоатомной молекулы с возникновением одинаковых орбиталей, эквивалентных по своим правилам. Угол между гибридными орбиталями при sp3-гибридизации равен 109.5°[1], при sp2 — 120°, при sp — 180°.
Содержание
Концепция гибридизации
«Концепция гибридизации валентных атомных орбиталей» была предложена американским химиком Лайнусом Полингом в 1931 году для ответа на вопрос, почему при наличии у центрального атома разных (s, p, d) валентных орбиталей образованные им связи в многоатомных молекулах с одинаковыми лигандами оказываются эквивалентными по своим энергетическим и пространственным характеристикам.
Представления о гибридизации занимают центральное место в методе валентных связей. Сама гибридизация не является реальным физическим процессом, а только удобной моделью, позволяющей объяснить электронное строение молекул, в частности гипотетические видоизменения атомных орбиталей при образовании ковалентной химической связи, в частности, выравнивание длин химических связей и валентных углов в молекуле.
Концепция гибридизации с успехом была применена для качественного описания простых молекул, но позднее была расширена и для более сложных. В отличие от теории молекулярных орбиталей не является строго количественной, например, она не в состоянии предсказать фотоэлектронные спектры даже таких простых молекул, как вода. В настоящее время используется в основном в методических целях и в синтетической органической химии.
В 1954 году Нобелевский комитет удостоил Л. Полинга премии по химии «За изучение природы химической связи и его применение к объяснению строения сложных молекул». Однако сам Л. Полинг не был удовлетворён введением , — описания для двойной и тройной связи и сопряжённых систем.
В 1958 году на симпозиуме, посвящённом памяти немецкого химика-органика Ф. А. Кекуле, Л. Полинг развил теорию изогнутой химической связи, учитывающую кулоновское отталкивание электронов. По этой теории, двойная связь описывалась как комбинация двух изогнутых химических связей, а тройная связь — как комбинация трёх изогнутых химических связей[2].
Этот принцип нашёл отражение в теории отталкивания электронных пар Гиллеспи — Найхолма, первое и наиболее важное правило которой формулировалось следующим образом:
- «Электронные пары принимают такое расположение на валентной оболочке атома, при котором они максимально удалены друг от друга, т. е. электронные пары ведут себя так, как если бы они взаимно отталкивались»[3].
Второе правило состояло в том, что «все электронные пары, входящие в валентную электронную оболочку, считаются расположенными на одинаковом расстоянии от ядра»[3].
Виды гибридизации
sp-гибридизация
При sp-гибридизации s-орбиталь углерода в возбуждённом состоянии смешивается только с одной из трех 2p-орбиталей. Это называется sp-гибридизацией, потому что две орбитали (одна s и одна p) смешаны: получающиеся две sp-гибридные орбитали затем располагаются в линейной геометрии (180°), а две негибридизованные 2p-орбитали располагаются под углом 90°. В ацетилене C2H2 это происходит следуюшим образом: два атома углерода образуют сигма-связь, перекрывая sp-орбитали. Один водород связывается с каждым атомом углерода, перекрывая его орбиталь с другой орбиталью. Две p-орбитали каждого углерода перекрываются, образуя две -связи. Основные параметры sp-гибридизации и тройной связи:
* Все атомы имеют линейную структуру;
* Угол между атомами составляет 180°;
* В тройной связи есть одна (сигма) и две (пи) связи.
sp2-гибридизация
Данный вид гибридизации происходит при смешивании одной s- и двух p-орбиталей. Образуются три гибридные орбитали с осями, расположенными в одной плоскости и направленными к вершинам треугольника под углом 120°. Негибридная p-атомная орбиталь перпендикулярна плоскости и, как правило, участвует в образовании -связей.
sp3-гибридизация
Данный вид гибридизации происходит при смешивании одной s- и трех p-орбиталей, образуя четыре равноценные по форме и энергии sp3-гибридные орбитали.
Оси sp3-гибридных орбиталей направлены к вершинам тетраэдра, тогда как ядро центрального атома расположено в центре описанной сферы этого тетраэдра. Угол между любыми двумя осями приближённо равен 109°28'[4], что соответствует наименьшей энергии отталкивания электронов. Также sp3-орбитали могут образовывать четыре -связи с другими атомами или заполняться неподеленными парами электронов. Такое состояние характерно для атомов углерода в насыщенных углеводородах и соответственно в алкильных радикалах и их производных.
Гибридизация и геометрия молекул
Представление о гибридизации атомных орбиталей лежит в основе теории отталкивания электронных пар Гиллеспи-Найхолма. Каждому типу гибридизации соответствует строго определённая пространственная ориентация гибридных орбиталей центрального атома, что позволяет её использовать как основу стереохимических представлений в неорганической химии.
В таблице приведены примеры соответствия наиболее распространённых типов гибридизации и геометрической структуры молекул в предположении, что все гибридные орбитали участвуют в образовании химических связей (отсутствуют неподелённые электронные пары)[5].
| Тип гибридизации
|
Число
гибридных орбиталей
|
Геометрия
|
Структура
|
Примеры
|
| sp |
2 |
Линейная |
|
BeF2,
CO2,
NO2+
|
| sp2 |
3 |
Треугольная |
|
BF3,
NO3-,
CO32-
|
| sp3, d3s |
4 |
Тетраэдрическая |
|
CH4,
ClO4-,
SO42-,
NH4+
|
| dsp2 |
4 |
Плоскоквадратная |
|
[Ni(CN)4]2- [PdCl4]2-
|
| sp3d |
5 |
Тригонально-бипирамидальная
|
|
PCl5, AsF5
|
| sp3d2, d2sp3 |
6 |
Октаэдрическая |
|
SF6, Fe(CN)63-, CoF63-
|
Примечания
- Brittin, W. E. (1945). Valence Angle of the Tetrahedral Carbon Atom. J. Chem. Educ. 22 (3): 145. Bibcode:1945JChEd..22..145B. doi:10.1021/ed022p145.
-
- 1 2
- Теоретически этот угол в правильном тетраэдре равен arccos(-1/3)109°28'.
- Здесь A — центральный атом, X — гибридные связывающие орбитали
Литература
Ссылки
|
|
