Гибридизация атомных орбиталей

Для объяснения фактов, когда атом образует большее число связей, чем число неспаренных электронов в его основном состоянии (например, атом углерода), используется постулат о гибpидизации близких по энергии атомных орбиталей. Гибридизация АО происходит при образовании ковалентной связи, если при этом достигается более эффективное перекрывание орбиталей.
Гибридизация атома углерода сопровождается его возбуждением и переносом электрона с 2 s - на 2 р -АО:

Основное и возбужденное состояния атома углерода.

См. также рисунок.

Гибридизация АО – это взаимодействие (смешение) разных по типу, но близких по энергии атомных орбиталей данного атома с образованием гибридных орбиталей одинаковой формы и энергии.

Например, смешение 2s-АО с 2 p -АО дает две гибридные 2 sp -АО:

АО с большой разницей в энергии (например, 1 s и 2 р) в гибридизацию не вступают. В зависимости от числа участвующих в гибpидизации p -АО возможны следующие виды гибридизации:

• для атомов углерода и азота – sp ³, sp ² и sp;
• для атома кислорода – sp ³, sp ²;
• для галогенов – sp ³.

Гибридная АО асимметрична и сильно вытянута в одну сторону от ядра (форма неправильной восьмерки).

В отличие от негибридных s - или р -АО, она имеет одну большую долю, которая хорошо образует химическую связь, и малую долю, которую обычно даже не изображают. Гибридизованные АО при взаимодействии с орбиталями различных типов (s -, р - или гибридными АО) других атомов обычно дают σ-МО, т.е. образуют σ-связи. Такая связь прочнее связи, образованной электронами негибридных АО, за счет более эффективного перекрывания.

4.3.2. sp²-Гибридизация (плоскостно-тригональная)

Одна s - и две p -орбитали смешиваются, и образуются три равноценные sp ²-гибридные орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° (выделены синим цветом). Они могут образовывать три σ-связи. Третья р -орбиталь остается негибридизованной и ориентируется перпендикулярно плоскости расположения гибридных орбиталей. Эта р -АО участвует в образовании π-связи.

VRML-модель (2 камеры, 109,3 Кб).

Для элементов 2-го периода процесс sp ²-гибридизации происходит по схеме:

2s + 2p_x + 2p_y = 3 (2sp²)
2p_z-АО в гибридизации не участвует.

Для изображения пространственного строения атомов в sp²-состоянии используются те же приемы, что и в случае sp³-атомов:

Переход от орбитальной модели атома в sp²-гибридизированном состоянии (а) к пространственной формуле (б). См. также рисунок (10,4 Кб).

Строение молекул с sp²-атомами отражают их модели:

· sp²-Гибридизованное состояние свойственно атому, если сумма числа связанных с ним атомов и числа его неподеленных электронных пар равна 3 (примеры).

Атомы углерода в sp²-гибридном состоянии образуют такие аллотропные формы как графит, фуллерены (например, C₆₀-фуллерен, 77 Кб [Library of 3-D Molecular Structures]) и другие наноструктуры.
sp²-Гибридизация характерна для атомов С, N, O и др. с двойной связью (sp²-атомы выделены красным цветом):

H₂ C = C H₂ (анимация, 21,3 Кб), H₂ C = C HR, R₂ C = N R,
R -N =N - R, R₂ C = O, R -N = O, а также для катионов типа R₃C⁺ и свободных радикалов R₃ C^•.

4.3.1. sp³-Гибридизация (тетраэдрическая)

Одна s - и три р -орбитали смешиваются, и образуются четыре равноценные по форме и энергии sp ³-гибридные орбитали.

Орбитальная модель атома в sp³-гибридизованном состоянии.

VRML-модель (109,8 Кб).

Для атома углерода и других элементов 2-го периода этот процесс происходит по схеме:

2s + 2p_x + 2p_y + 2p_z = 4 (2sp³)

Схема sp³-гибридизации атомных орбиталей.

Оси sp³-гибридных орбиталей направлены к вершинам правильного тетраэдра. Тетраэдрический угол между ними равен 109°28', что соответствует наименьшей энергии отталкивания электронов.

Впервые идею о направленности единиц сродства (валентностей) атома углерода по углам тетраэдра независимо друг от друга выдвинули в 1874 г. Вант-Гофф и Ле Бель.

sp³-Орбитали могут образовывать четыре σ -связи с другими атомами или заполняться неподеленными парами электронов.

А как наглядно изобразить пространственное строение атома в sp³-состоянии на рисунке?

В этом случае sp³-гибридные орбитали изображают не электронными облаками, а прямыми линиями или клиньями в зависимости от пространственной ориентации орбитали. Такое схематическое изображение используется при написании стереохимических (пространственных) формул молекул.

Переход от орбитальной модели (а) к пространственной формуле (б).

См. также рисунок.

На примере молекулы метана показаны объемные модели и пространственная (стереохимическая) формула молекулы с sp³-углеродным атомом:

Модель молекулы метана

Cтроение молекулы этана C₂H₆ иллюстрируют рисунок и анимация.

· sp³-Гибридизованное состояние свойственно атому, если сумма числа связанных с ним атомов и числа его неподеленных электронных пар равна 4 (схема).

Углерод в sp³-гибридном состоянии находится в простом веществе алмазе – одной из аллотропных форм углерода (см. иллюстрации).
Это состояние характерно для атомов С, N, O и др., соединенных с другими атомами одинарными связями (sp³-атомы выделены красным цветом):

С H₄, R C H₃, N H₃, R N H₂, H₂ O, R O H, R₂ O;

а также анионам типа: R₃ C:^–, R O ^– и т.п.

Следствием тетраэдрического строения sp³-атома является возможность существования двух оптических стереоизомеров у соединения, содержащего такой атом с четырьмя разными заместителями (Вант-Гофф, Ле Бель, 1874).

Гибридизация орбиталей — гипотетический процесс смешения разных (s, p, d) орбиталей центрального атома многоатомной молекулы с возникновением того же числа орбиталей, эквивалентных по своим характеристикам.

Поиск по сайту: