-Гібридизація атомних орбіталей. Просторова конфігурація молекул
Важливою характеристикою молекули є її геометрична конфігурація, яка визначається взаємним розміщенням у просторі атомних орбіталей, що беруть участь в утворенні хімічних зв' язків. Для пояснення геометричної конфігурації молекул за методом валентних зв'язків використовують уявлення про гібридизацію атомних орбіталей.
Як зазначалось, атоми деяких елементів у збудженому стані містять неспарені електрони на різних орбіталях. Наприклад, збуджені атоми Берилію Ве*, Бору В* і Карбону С* мають відповідно такі електронні конфігурації: 2s12р1, 2s12р2 і 2s12р3. Можна було б чекати, що в молекулі ВеСl2 (ВСl3, ССl4) зв'язки за міцністю нерівноцінні, оскільки один з них виник за участю s-елек-тронів, інші – за участю р-електронів атомів Берилію, Бору і Карбону.
Дослід показує, що, незважаючи на різні форми вихідних валентних орбіталей, утворені за їх участю зв'язки – рівноцінні. Дж.Слейтер і Л.Полінг пояснили це явище гібридизацією валентних орбіталей, яка полягає в тому, що орбіталі різної симетрії, які не дуже відрізняються за енергією, утворюють гібридизовані орбіталі і є результатом змішування вихідних атомних орбіталей. При цьому утворюються нові орбіталі однакової форми і з однаковою енергією. Число гібридизованих орбіталей дорівнює числу орбіталей, які беруть участь у гібридизації. Гібридизовані орбіталі більш витягнуті в напрямку утворення хімічних зв'язків і тому зумовлюють краще перекривання електронних орбіталей.
Отже, гібридизація пов'язана з енергетичним виграшем внаслідок утворення міцніших зв'язків і більш симетричного розподілу електронної густини в молекулі.
Тип гібридизації визначається типом і кількістю орбіталей, що беруть участь у гібридизації.
sр-Гібридизація. При комбінації однієї s- і однієї р-орбіталі виникають дві sр-гібридизовані орбіталі, розміщені симетрично під кутом 180° (рис. 9,а). Наприклад, у атома Берилію sр-гібридизація орбіталей виявляється у молекулі ВеСl2, яка внаслідок цього має лінійну форму:
У молекулах елементів інших груп, наприклад О=С=О і Н–СС–Н,
σ-зв'язки утворені sр-гібридизованими орбіталями атома карбону.
sр2-Гібридизація. Комбінація однієї s- і двох р-орбіталей приводить до
утворення sр2-гібриди-зованих зв'язків, розташованих під кутом 120° (див.
рис.9,б). Наприклад, молекула ВСl3 внаслідок sр2-гібридизації орбіталей атома
Бору має форму плоского трикутника:
sр3-Гібридизація. Комбінація чотирьох орбіталей – однієї s- і трьох
р-ор-біталей – приводить до sр3-гібридизації, при якій чотири гібридизовані
орбіталі симетрично орієнтовані у просторі до чотирьох вершин тетраедра, тобто
під кутом 109°28' (див. рис.9,в). Тетраедричне розміщення зв'язків і форма
тетраедра характерні для багатьох сполук чотиривалентного карбону (С* 2s12р3),
наприклад у молекулі ССl4:
Крім розглянутих вище можливі й інші типи гібридизації валентних орбіталей і
відповідні їм просторові конфігурації молекул. У елементів третього і
наступних періодів в утворенні гібридизованих зв'язків можуть брати участь d-
і f-орбіталі (рис.10).
Комбінація однієї s-, трьох р- і однієї d-орбіталей
приводить до
sр3d-гібридизації. Це відповідає просторовій орієнтації sр3d -гібридизованих
орбіталей до вершин тригональної біпіраміди (див. рис.10,г).
У випадку sр3d2-гібридизації шість sр3d2-гібридизованих орбіталей орієнтовані до вершин октаедра (див. рис.10,д). Орієнтація семи орбіталей до вершини пентагональної біпіраміди (див. рис.10,е) відповідає sр3d3- або sр3d2f-гібридизації валентних орбіталей центрального атома молекули (комплексу).
Для молекул СН4, NН3 та Н2О характерне утворення sр3-гібридизованих зв'язків. Тому можна було б чекати, що валентні кути між зв'язками у цих молекул приблизно дорівнюватимуть 109°. Експериментально встановлено, що валентні кути дорівнюють, відповідно, 109°28', 107,3° і 104,5°. Такі відхилення у значеннях валентних кутів у молекулах NН3 і Н2О метод валентних зв'язків пояснює наявністю неподіленої електронної пари у атомів Нітрогену і Оксигену.
Орбіталі з неподіленими (незв'язуючими) парами електронів розміщуються близько
до ядра і тому сильно взаємно відштовхуються. Розглянемо будову молекул метану,
аміаку і води (рис.11).
У атома Карбону в молекулі СН4 на чотири sр3-гібридизовані орбіталі припадає
чотири електрони:
Це зумовлює симетричне розміщення електронних орбіталей відносно ядра атома карбону і розміщення атомів гідрогену молекули СН4 у вершинах тетраедра (рис.12,а).
У атома Нітрогену в молекулі NН3 на чотири sр3-гібридизовані орбіталі припадає
п'ять електронів:
Одна пара електронів є незв'язуючою і займає одну з sр3-гібридизованих орбіталей, напрямлених до вершин тетраедра. Внаслідок електростатичного відштовхування незв'язуючої електронної пари відбувається асиметричний розподіл електронної густини, що оточує атом Нітрогену, і, як наслідок, зменшення валентного кута НNН до 107,3°. Можна вважати, що одна вершина тетраедра зайнята незв'язуючою електронною парою, і тому молекула NН3 з має форму тригональної піраміди (див. рис. 12,б).
У атома Оксигену в молекулі Н2О на чотири sр3-гібридизовані орбіталі припадає
шість електронів:
Дві електронні пари залишаються неподіленими, тобто належать атому Оксигену. Це збільшує асиметричність розподілу електронної густини навколо атома Оксигену і зменшує валентний кут порівняно з тетраедричним (104,5°). У молекулі води дві вершини тетраедра зайняті неподіленими електронними парами (див. рис.12,в), а сама молекула має кутову форму.
Отже, число незв'язуючих електронних пар центрального атома та їхнє розміщення на гібридизованих орбіталях впливає на геометричну конфігурацію молекул.
25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49
50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74
75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 Наверх ↑