Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое гибридизация атомных орбиталей, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое гибридизация атомных орбиталей , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Неорганическая химия.
Изучая строение молекул органических веществ, вы узнали, что все молекулы имеют определенное пространственное строение. Это является следствием направленности ковалентных связей. Ковалентные связи располагаются в пространстве в направлении максимального перекрывания электронных облаков. Угол между связями — валентный угол — зависит от числа атомных орбиталей данного атома, принимающих участие в образовании σ-связей.
Для объяснения и предсказания пространственного строения молекул как органических, так и неорганических веществ, а также сложных ионов (например, 
, 
) используют представление о гибридизации атомных орбиталей.
Термин гибрид вам известен из биологии и означает организм, полученный вследствие скрещивания. По аналогии с этим в теории химической связи вводят понятие гибридная орбиталь. Она рассматривается как результат своеобразного «скрещивания» разных по форме, но близких по энергии атомных орбиталей.
Теоретические представления о гибридизации атомных орбиталей построены на следующих положениях.
1. При образовании ковалентных σ-связей исходные валентные s- и p-орбитали приобретают одинаковую форму и энергию, превращаясь в гибридные орбитали.
Гибридизацией называют перераспределение электронной плотности орбиталей свободного атома при образовании молекулы с формированием гибридных орбиталей.
2. Гибридные орбитали похожи друг на друга и отличаются от исходных s- и p-орбиталей своей энергией и формой электронного облака. В результате гибридизации энергия гибридных атомных орбиталей выравнивается. Гибридные орбитали более вытянуты в пространстве в сторону соседних атомов. Это обеспечивает их более полное перекрывание с атомными орбиталями соседних атомов и, соответственно, более прочные связи с ними.
3. В гибридизации участвуют разные по форме, но близкие по энергии атомные орбитали. Это означает, что в гибридизации могут принимать участие, например, 2s-орбиталь с 2p-орбиталью, но не 1s-орбиталь с 2p-орбиталью.
4. Число образующихся гибридных орбиталей равно суммарному числу исходных орбиталей, принимающих участие в гибридизации.
5. Гибридные орбитали участвуют в образовании только σ-связей.
6. π-Связи образуются за счет бокового перекрывания негибридных орбиталей.
7. Гибридные орбитали располагаются в пространстве на максимальном удалении друг от друга.
8. В гибридизации принимают участие не только орбитали, которые образуют σ-связи, но и s- и р-орбитали с неподеленной парой электронов того же энергетического уровня. Гибридные орбитали с неподеленной парой электронов занимают больший объем, чем связывающая пара электронов между двумя атомами. По этой причине неподеленные пары обладают максимальной отталкивающей силой, что приводит к уменьшению валентного угла между орбиталями со связывающими электронами.
Различают несколько типов гибридизации. Каждому из них соответствует определенная ориентация гибридных орбиталей в пространстве (табл. 12.1).
Так, если атом образует две σ-связи за счет его одной s- и одной p-орбиталей, то образуется две sp-гибридные орбитали, которые ориентированы друг к другу под углом 180°. Такой тип гибридизации называют sp-гибридизацией.
Если атом образует три σ-связи за счет его одной s- и двух p-орбиталей, то угол между образующимися тремя sp2-гибридными орбиталями составляет 120°. Такой тип гибридизации называют sp2-гибридизацией.
Если атом образует четыре σ-связи за счет его одной s- и трех p-орбиталей, то угол между образующимися четырьмя sp3-гибридными орбиталями составляет 109,5°. Такой тип гибридизации называют sp3-гибридизацией.
У элементов 3-го и последующих периодов в образовании гибридных атомных орбиталей могут принимать участие и d-орбитали.
Таким образом, расположение в пространстве гибридных орбиталей определяет углы между σ-связями, то есть пространственное строение молекул и сложных ионов.
Характеристики различных типов гибридизации и примеры молекул и сложных ионов, пространственное строение которых отвечает этим типам гибридизации, приведены в таблице 12.1.
Таблица 12.1. Характеристики sp-, sp2- и sp3-гибридизации валентных орбиталей центрального атома
| Исходные атомные орбитали | Число гибридных орбиталей | Тип гибридизации | Валентный угол* | Геометрическая фигура, отвечающая типу гибридизации центрального атома, и форма структурных единиц | Примеры |
|---|---|---|---|---|---|
| s + p | Две | sp | 180° |
Гантель, линейная |
   |
| s + p + p | Три | sp2 | 120° |
Треугольник, плоская |
 ,  ,  ,  ,  |
| s + p + p + p | Четыре | sp3 | 109,5° |
Тетраэдр, тетраэдрическая |
 ,  ,  ,  ,  ,  ,  |
* Указан идеальный валентный угол. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . В реальных структурах вследствие отталкивания неподеленных электронных пар валентный угол может отклоняться от идеального.
Рассмотрим, как можно использовать представление о гибридизации атомных орбиталей для предсказания и объяснения формы молекул неорганических веществ.
Пример 1. Валентный угол в молекуле аммиака составляет 107, а ионе аммония — 109,5°. Используя представление о гибридизации атомных орбиталей атома азота, объясните наблюдаемые различия в значениях валентных углов в NH3 и 
.
Решение
В молекуле аммиака азот является центральным атомом и образует три ковалентные связи с атомами водорода по обменному механизму. Если бы в образовании ковалентных связей участвовали исходные гантелеобразные р-орбитали азота, то угол между связями должен был составлять 90°. Объяснить действительный валентный угол в аммиаке можно, если использовать представление о гибридизации атомных орбиталей.
У атома азота на валентном слое имеется три неспаренных электрона на р-орбиталях и пара электронов на s-орбитали. При образовании химических связей все эти орбитали (s + 3p) подвергаются гибридизации с образованием четырех sp3-гибридных орбиталей, которые в идеальном случае должны были бы располагаться по вершинам тетраэдра под углом друг к другу в 109,5°.
Однако, из-за того что на одной из гибридных орбиталей имеется неподеленная пара электронов, которая отталкивает орбитали со связывающими электронами, валентный угол уменьшается до 107.
В связи с тем что орбиталь с неподеленной парой электронов не входит в описание взаимного расположения атомов, принято говорить, что молекула аммиака имеет форму треугольной пирамиды с основанием в виде правильного треугольника из атомов Н—Н—Н и вершиной — атомом N.
При присоединении к молекуле аммиака катиона водорода искажение валентных углов устраняется.
Пример 2. В соответствии с экспериментальными данными валентный угол Н—O—Н в молекуле воды составляет 104,5°, то есть молекула воды имеет угловое строение. Используя представление о гибридных орбиталях, объясните пространственное строение молекулы воды.
Решение
В молекуле воды центральный атом кислорода образует две σ-связи с атомами водорода. Остальные электроны кислорода, расположенные на валентном электронном слое, образуют две неподеленные пары. В этом случае можно говорить об образовании четырех гибридных орбиталей (s + 3p) и, соответственно, о sp3-гибридизации орбиталей атома кислорода.
Как и в случае молекулы аммиака, гибридные орбитали ориентированы по углам тетраэдра, однако орбитали с двумя неподеленными парами электронов отталкивают пары электронов, образующих химические связи О—Н. Это уменьшает валентный угол Н—O—Н. Он становится равным 104,5°, то есть меньше тетраэдрического (109,5°):
Неподеленные пары электронов не во всех соединениях обладают сильным отталкивающим действием на электроны химической связи. Например, в спиртах валентный угол Н—O—C составляет 107–109° и мало отличается от тетраэдрического. В молекуле серной кислоты угол Н—O—S тоже составляет 108,5° и также мало отличается от тетраэдрического. В простых эфирах, например H3C—O—CH3, угол C—O—C составляет 109–112° и также близок к тетраэдрическому.
При определении пространственного строения молекул всегда надо помнить, что, как всякое модельное представление, понятие о гибридизации имеет ограниченную область применения. Если при определении формы молекул, образуемых элементами 2-го периода, гибридизация дает хороший прогноз, то для элементов периодов с большими номерами ее предсказательные возможности не всегда совпадают с экспериментальными данными. Например, в молекулах воды и сероводорода атомы кислорода и серы, с точки зрения возможного типа гибридизации, должны находиться в состоянии sp3-гибридизации. Однако в молекуле воды валентный угол близок к тетраэдрическому, а в молекуле сероводорода он составляет 92°. Тем не менее валентный угол в молекуле H3C—S—H составляет уже 99,5°, в молекуле Cl—S—Cl — 103°, а у циклической молекулы S8 угол S—S—S равен 108°, что весьма близко к 109,5°.
Для объяснения и предсказания пространственного строения молекул и ионов используют представление о гибридизации атомных орбиталей.
Гибридизацией называют перераспределение электронной плотности орбиталей свободного атома при образовании молекулы с формированием гибридных орбиталей.
Согласно этому представлению, при образовании ковалентных σ-связей исходные валентные s- и p-орбитали превращаются в гибридные орбитали, имеющие одинаковую форму электронного облака и энергию. Гибридные орбитали симметрично располагаются в пространстве.
Тип гибридизации указывает на пространственное строение молекул: sp — линейное, sp2 — треугольное, sp3 — тетраэдрическое.
1. Объясните пространственное строение молекулы метана.
2. Используя свой опыт объяснения строения молекул углеводородов, прокомментируйте схемы, представленные на рисунке 32.1.
Рис. 32.1. Схемы пространственного строения молекул углеводородов
3. Сравните пространственное строение молекулы аммиака и иона аммония. Объясните различие.
4. Согласно экспериментальным данным молекула CO2 имеет линейное строение. Объясните значение валентного угла в этой молекуле, исходя из представления о гибридизации атомных орбиталей.
5. С учетом типа гибридизации атомных орбиталей определите число атомов углерода, атомные орбитали которых находятся в состоянии sp2-гибридизации, в молекуле олеиновой кислоты СН3(СН2)7СН
СН(СН2)7СООН.
6. Определите тип гибридизации атомных орбиталей центрального атома и объясните пространственное строение следующих молекул и ионов: CCl4 (валентный угол Cl—C—Cl равен 109,5°), SiH4 (валентный угол H—Si—H равен 109,5°), BF3 (валентный угол F—B—F равен 120°), 
(валентный угол F—B—F равен 109,5°).
7. Изобразите пространственное строение молекул и ионов, указанных в задании 6.
8. Используя представление о гибридизации атомных орбиталей, объясните пространственное строение молекул бутана, транс-бутена-2, метилбензола, бензойной кислоты, формальдегида и пропина.
9. Используя понятие гибридизации, предскажите, какую форму должны иметь молекулы: HClO, HClO4, HNO3. Укажите значения валентных углов и сопоставьте ваш ответ с данными в сети Интернет.
10. Расположите следующие молекулы в порядке увеличения валентных углов: СО2, NH3, Н2О, BCl3, CCl4, CH4, CH3NH2, 
.
1. Валентный угол определяется:
2. В гибридизации атомных орбиталей участвуют:
3. Тип гибридизации, представленный схемой, характерен для атомов в молекулах:
4. sp-Гибридные орбитали:
5. Пространственное строение молекул:
Исследование, описанное в статье про гибридизация атомных орбиталей, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое гибридизация атомных орбиталей и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Неорганическая химия
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Комментарии
Оставить комментарий
Неорганическая химия
Термины: Неорганическая химия