-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–СС–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.