Химические связи и неподеленные электронные пары в молекулах стремятся расположиться как можно дальше друг от друга

Поясним на конкретных примерах. В молекуле BeCl₂ есть две связи Be—Cl. Форма этой молекулы должна быть такой, чтобы обе эти связи и атомы хлора на их концах располагались как можно дальше друг от друга:

Это возможно только при линейной форме молекулы, когда угол между связями равен 180^о (угол ClBeCl = 180^o).

Другой пример: в молекуле BF₃ имеется 3 связи B—F. Они располагаются как можно дальше друг от друга и молекула имеет форму плоского треугольника, где все углы между связями равны 120^о (угол FBF = 120^o):

Еще один пример: в молекуле CH₄ имеется 4 связи C—H. Все эти 4 связи расположатся максимально далеко друг от друга только тогда, когда молекула примет форму тетраэдра, у которого в центре находится атом C, а в вершинах - атомы H. Кстати, в плоском квадрате расстояния между связями C—H меньше, чем в тетраэдре, поэтому реальная молекула CH₄ тетраэдрическая, а не плоская:

В тетраэдре угол между связями составляет 109^о28’ (угол HCH = 109^o 28’). Именно такой угол наблюдается в молекуле CH₄ по данным рентгеноструктурного анализа.

Последний пример: молекула H₂O в своем составе имеет 2 связи O—H и 2 неподеленные пары электронов. Вывод: эта молекула также должна иметь форму, похожую на тетраэдр.

Реально этот тетраэдр слегка искажен, потому что неподеленные пары отталкиваются между собой несколько сильнее, чем от поделенных пар, и чем поделенные пары отталкиваются друг от друга. Поэтому реальный угол HOH составляет не 109^о, а немногим менее 105^о.

Если ввести обозначения: н.п - неподеленная пара, п.п - поделенная пара, то относительное отталкивание между ними дает такой ряд:

(н.п/н.п) > (н.п/п.п) > (п.п/п.п).

Теория отталкивания валентных электронных пар (ОВЭП) проста и наглядна. Она опирается на классическую геометрию и позволяет правильно предсказывать форму молекул.

Однако образование одинаковых связей из атомных орбиталей разного вида потребовало введения такого понятия, как ГИБРИДИЗАЦИЯ (то есть “смешивание”) атомных орбиталей. Почему это понятие стало необходимо?

Вернемся к уже знакомой нам молекуле BeCl₂. Ее образование вполне понятно из электронного строения атомов бериллия и хлора, которое изображается формулами Льюиса:

Электронная конфигурация валентной оболочки бериллия 2s². Для реакции с двумя атомами хлора необходим переход электронов бериллия в возбужденное состояние:

Если бы один атом хлора связывался с бериллием за счет 2s-электрона бериллия, а другой - за счет 2p_x-электрона бериллия, то связи Be-Cl не были бы равноценными. Однако на самом деле обе связи имеют одинаковую длину, прочность и расположены под углом 180°.

Чтобы объяснить равноценность связей Be—Cl, говорят о sp-гибридизации валентных атомных орбиталей бериллия, при которой одна s-орбиталь и одна p-орбиталь (они обведены на орбитальной диаграмме) как бы смешиваются и выравниваются по форме и энергии, давая две одинаковые sp-гибридные орбитали (рис. 3-7).

Рис. 3-7. sp-гибридизация валентных орбиталей бериллия в соединении BeCl₂. Каждая гибридная орбиталь несимметрична (вытянута в сторону от ядра). Обе гибридные орбитали бериллия лежат на одной прямой.

Считается, что благодаря sp-гибридизации молекула BeCl₂ имеет линейную форму и все три ее атома находятся на одной прямой, а обе связи Be-Cl совершенно одинаковы. Такова геометрия и у всех других sp-гибридизованных молекул - независимо от элементов, которые входят в эти молекулы.

Если валентная оболочка атома включает электроны на одной s-орбитали и двух p-орбиталях, имеет место sp²-гибридизация, дающая несколько иную геометрию молекулы. Примером может служить sp²-гибридизация бора при образовании молекулы BF₃ (рис. 3-8). На орбитальной диаграмме обведены одна s и две p-орбитали, которые “смешиваются”, то есть гибридизуются.

Рис.3-8. sp²-гибридизация валентных орбиталей бора в соединении BF₃. Три sp²-гибридные орбитали бора лежат в одной плоскости под углом 120°.

Наконец, когда смешиваются одна s- и три p-орбитали, возникают sp³-гибридизованные молекулы, имеющие геометрию тетраэдра (рис. 3-9). Примером может служить соединение углерода с водородом СН₄ (метан).

Рис. 3-9. sp³-гибридизация валентных орбиталей углерода. Четыре sp³-гибридные орбитали углерода направлены в вершины правильного тетраэдра. Атом углерода находится в центре тетраэдра. Углы между всеми связями равны и составляют 109°28'.

Существует важное правило:

Поиск по сайту: