Sp3 хибридизация на електронни облаци на въглероден атом. Видове хибридизация на ао

Многоатомна молекула с появата на еднакви орбитали, еквивалентни по своите характеристики.

Енциклопедичен YouTube

1 / 3

✪ Хибридизация на електронни орбитали

✪ Цитология. Лекция 46. Хибридизация на орбитали

✪ Хибридизация. Полярни и неполярни молекули. Самоподготовка за изпита и КТ по \u200b\u200bхимия

Субтитри

Концепция за хибридизация

Концепция за хибридизация на валентни атомни орбитали е предложен от американския химик Линус Полинг, за да отговори на въпроса защо, когато централният атом има различни (s, p, d) валентни орбитали, връзките, образувани от него в многоатомни молекули със същите лиганди, са еквивалентни по своите енергийни и пространствени характеристики.

Концепциите за хибридизация са от основно значение за метода на валентната връзка. Самата хибридизация не е реален физически процес, а само удобен модел, който позволява да се обясни електронната структура на молекулите, по-специално хипотетичните модификации на атомните орбитали по време на образуването на ковалентна химическа връзка, по-специално подравняването на дължините на химичните връзки и ъглите на връзка в молекулата.

Концепцията за хибридизация беше успешно приложена към качественото описание на простите молекули, но по-късно беше разширена до по-сложни. За разлика от теорията на молекулярните орбитали, тя не е строго количествена, например, не е в състояние да предскаже фотоелектронните спектри дори на такива прости молекули като водата. В момента се използва главно за методологични цели и в синтетичната органична химия.

Този принцип е отразен в теорията за отблъскването на електронните двойки Жилеспи - Нихолм, първото и най-важно правило, което е формулирано по следния начин:

Второто правило беше това „Всички електронни двойки, включени във валентната електронна обвивка, се считат за разположени на едно и също разстояние от ядрото“.

Видове хибридизация

sp хибридизация

Възниква, когато се смесват една s- и една p-орбитали. Образуват се две еквивалентни sp-атомни орбитали, разположени линейно под ъгъл от 180 градуса и насочени в различни посоки от ядрото на централния атом. Двете останали нехибридни p-орбитали са разположени във взаимно перпендикулярни равнини и участват в образуването на π-връзки, или са заети с уединени електронни двойки.

sp 2 -хибридизация

Възниква при смесване на една s и две p орбитали. Три хибридни орбитали са оформени с оси, разположени в една и съща равнина и насочени към върховете на триъгълника под ъгъл от 120 градуса. Нехибридната р-атомна орбитала е перпендикулярна на равнината и като правило участва в образуването на π-връзки

sp 3 -хибридизация

Това се случва, когато една s- и три p-орбитали са смесени, образувайки четири sp 3-хибридни орбитали с еднаква форма и енергия.

Осите на sp 3 -хибридни орбитали са насочени към върховете на тетраедъра, докато ядрото на централния атом е разположено в центъра на описаната сфера на този тетраедър. Ъгълът между всякакви две оси е приблизително 109 ° 28 ", което съответства на най-ниската енергия на отблъскване на електроните. Също така sp 3-орбиталите могат да образуват четири σ-връзки с други атоми или да бъдат запълнени с единични двойки електрони. Това състояние е характерно за въглеродните атоми в наситените въглеводороди и съответно в алкилови радикали и техните производни.

Хибридизация и молекулярна геометрия

Концепцията за хибридизация на атомните орбитали лежи в основата на теорията за отблъскване на електронни двойки Гилеспи-Никхолм. Всеки тип хибридизация съответства на строго определена пространствена ориентация на хибридните орбитали на централния атом, което му позволява да се използва като основа на стереохимичните концепции в неорганичната химия.

Таблицата показва примери за съответствието между най-често срещаните видове хибридизация и геометричната структура на молекулите при предположението, че всички хибридни орбитали участват в образуването на химични връзки (няма самотни електронни двойки).

Концепция за хибридизация

Концепция за хибридизация на валентни атомни орбитали е предложен от американския химик Линус Полинг, за да отговори на въпроса защо, когато централният атом има различни (s, p, d) валентни орбитали, връзките, образувани от него в многоатомни молекули със същите лиганди, са еквивалентни по своите енергийни и пространствени характеристики.

Концепциите за хибридизация са от основно значение за метода на валентната връзка. Самата хибридизация не е реален физически процес, а само удобен модел, който позволява да се обясни електронната структура на молекулите, по-специално хипотетичните модификации на атомните орбитали по време на образуването на ковалентна химическа връзка, по-специално подравняването на дължините на химичните връзки и ъглите на връзка в молекулата.

Концепцията за хибридизация беше успешно приложена към качественото описание на простите молекули, но по-късно беше разширена до по-сложни. За разлика от теорията на молекулярните орбитали, тя не е строго количествена, например, не е в състояние да предскаже фотоелектронните спектри дори на такива прости молекули като водата. В момента се използва главно за методологични цели и в синтетичната органична химия.

Този принцип е отразен в теорията за отблъскване на електронни двойки Гилеспи - Никхолм. Първото и най-важно правило беше формулирано по следния начин:

Второто правило е това „Всички електронни двойки, включени във валентната електронна обвивка, се считат за разположени на едно и също разстояние от ядрото“.

Видове хибридизация

sp хибридизация

Възниква, когато се смесват една s- и една p-орбитали. Образуват се две еквивалентни sp-атомни орбитали, разположени линейно под ъгъл от 180 градуса и насочени в различни посоки от ядрото на въглеродния атом. Двете останали нехибридни p-орбитали са разположени във взаимно перпендикулярни равнини и участват в образуването на π-връзки, или са заети с уединени електронни двойки.

sp 2 -хибридизация

Възниква при смесване на една s и две p орбитали. Три хибридни орбитали са оформени с оси, разположени в една и съща равнина и насочени към върховете на триъгълника под ъгъл от 120 градуса. Нехибридната р-атомна орбитала е перпендикулярна на равнината и като правило участва в образуването на π-връзки

sp 3 -хибридизация

Това се случва, когато една s- и три p-орбитали се смесят, образувайки четири sp3-хибридни орбитали с еднаква форма и енергия. Те могат да образуват четири σ-връзки с други атоми или да бъдат запълнени с уединени двойки електрони.

Осите на sp3 хибридните орбитали са насочени към върховете на правилния тетраедър. Тетраедричният ъгъл между тях е 109 ° 28 ", което съответства на най-ниската отблъскваща енергия на електроните. Също така sp3-орбиталите могат да образуват четири σ-връзки с други атоми или да бъдат запълнени с единични двойки електрони.

Хибридизация и молекулярна геометрия

Концепцията за хибридизация на атомните орбитали лежи в основата на теорията за отблъскване на електронни двойки Гилеспи-Никхолм. Всеки тип хибридизация съответства на строго определена пространствена ориентация на хибридните орбитали на централния атом, което му позволява да се използва като основа на стереохимичните концепции в неорганичната химия.

Таблицата показва примери за съответствието между най-често срещаните видове хибридизация и геометричната структура на молекулите при предположението, че всички хибридни орбитали участват в образуването на химични връзки (няма самотни електронни двойки).

Тип хибридизация	Брой хибридни орбитали	Геометрия	Структура	Примери за
sp	2	Линейна		BeF 2, CO 2, NO 2 +
sp 2	3	Триъгълна		BF 3, NO 3 -, CO 3 2-
sp 3	4	Тетраедричен		CH 4, ClO 4 -, SO 4 2-, NH 4 +
dsp 2	4	На квадрат		Ni (CO) 4, XeF4
sp 3 d	5	Шестоъгълник		PCl 5, AsF 5
sp 3 d 2	6	Октаедричен		SF 6, Fe (CN) 6 3-, CoF 6 3-

Връзки

Литература

• Полинг Л. Естеството на химическата връзка / Per. от английски М. Е. Дяткина. Изд. проф. Я. К. Сиркин. - М.; Л.: Госкхимиздат, 1947 г. - 440 с.
• Полинг Л. Обща химия. Per. от английски - М.: Мир, 1974 г. - 846 с.
• Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев Р.М. Теорията за структурата на молекулите. - Ростов на Дон: Феникс, 1997. - С. 397-406. - ISBN 5-222-00106-7
• Gillespie R. Геометрия на молекулите / Пер. от английски Е. З. Засорин и В. С. Мастрюков, изд. Ю.А.Пентина. - М.: Мир, 1975 г. - 278 с.

Вижте също

Бележки

Фондация Уикимедия. 2010 г.

Орбитална хибридизация - подравняване на енергията и формата на орбитали.

Същността на процеса на хибридизация на атомните орбитали е, че електрон в близост до ядрото на свързания атом се характеризира не с отделна атомна орбитала, а с комбинация от атомни орбитали със същото главно квантово число. Тази комбинация се нарича хибридна орбитала. Хибридизацията засяга само най-високите и близки по енергия атомни орбитали, заети от електрони.

Хибридните орбитали имат асиметрична форма, удължена към прикрепения атом.

Изглед на хибридна атомна орбитала, образувана чрез смесване с- и п-орбитали.

Електронните облаци са взаимно отблъскващи и са разположени в пространството на максималното разстояние един от друг, което съответства на минимума на енергията на отблъскване на електрон-електрон. В този случай осите на четирите sp 3-хибридни орбитали са насочени към върховете на тетраедъра (правилна триъгълна пирамида), а ъглите между тези орбитали са тетраедрични, равни на 109 ° 28 ".

Видът на хибридизацията определя геометрията на молекулата или йона.

Типове хибридизация

Върховете на електронните орбитали могат да се припокриват помежду си. Призовава се припокриването на електронни облаци по линия, минаваща през центровете на атомите сигма (ϭ ) -Връзка .

Ковалентна връзка, образувана от странично припокриване r-орбитали на съседни въглеродни атоми се нарича pi (π ) -Връзка .

Защото зона на припокриване на орбитата при π - има по-малко връзки, тогава самата връзка е по-малко силна от ϭ-връзката.

През 1930 г. Слейтър и Л. Полинг развиват теорията за образуването на ковалентна връзка поради припокриването на електронни орбитали - методът на валентните връзки. Този метод се основава на метода на хибридизация, който описва образуването на молекули вещества поради "смесването" на хибридни орбитали (не електроните, но орбиталите са "смесени").

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Хибридизация - смесване на орбитали и подравняване във форма и енергия. Така че, когато смесваме s- и p-орбитали, получаваме типа хибридизация на sp, s- и 2-p-орбитали - sp 2, s- и 3-p-орбитали - sp 3. Съществуват и други видове хибридизация, например sp 3 d, sp 3 d 2 и по-сложни.

Определяне на типа хибридизация на молекули с ковалентна връзка

Типът на хибридизация може да се определи само за молекули с ковалентна връзка от типа AB n, където n е по-голямо или равно на две, A е централният атом, а B е лигандът. Само валентните орбитали на централния атом влизат в хибридизация.

Нека определим вида на хибридизацията, като използваме примера на молекулата BeH 2.

Първоначално записваме електронните конфигурации на централния атом и лиганд и чертаем електронно-графични формули.

Берилиевият атом (централен атом) има свободни 2p орбитали, следователно, за да получи по един електрон от всеки водороден атом (лиганд) за образуването на молекула BeH2, той трябва да премине в възбудено състояние:

Образуването на молекулата BeH 2 се дължи на припокриването на валентните орбитали на атома Be

* червеният цвят показва електрони на водород, черен - берилий.

Типът на хибридизация се определя от това кои орбитали се припокриват, поради което молекулата BeH 2 е в sp-хибридизация.

В допълнение към молекулите от състав AB n, методът на валентни връзки може да се използва за определяне на типа хибридизация на молекули с множество връзки. Да разгледаме примера на етиленовата молекула C 2 H 4. В етиленовата молекула има множествена двойна връзка, която се образува от и - връзки. За да определим хибридизацията, записваме електронните конфигурации и изчертаваме електронно-графичните формули на атомите, съставляващи молекулата:

6 C 2s 2 2s 2 2p 2

Въглеродният атом има още една свободна р-орбитала, следователно, за да получи 4 водородни атома, той трябва да премине във възбудено състояние:

Една р-орбитала е необходима за образуването на -обвързаност (маркирана в червено), тъй като -обвързаност се образува поради припокриването на "чисти" (нехибридни) р-орбитали. Останалите валентни орбитали преминават в хибридизация. По този начин етиленът е в sp 2 хибридизация.

Определяне на геометричната структура на молекулите

Геометричната структура на молекулите, както и катионите и анионите от състава AB n, могат да бъдат получени по метода на Gillespie. Този метод се основава на валентни двойки електрони. Геометричната структура се влияе не само от електрони, участващи в образуването на химическа връзка, но и от самотни електронни двойки. Всяка самотна двойка електрони по метода на Gillespie се обозначава с E, централният атом - A, лигандът - B.

Ако няма самотни електронни двойки, тогава съставът на молекулите може да бъде AB 2 (линейна молекулярна структура), AB 3 (плоска триъгълна структура), AB4 (тетраедрична структура), AB 5 (тригонална бипирамидна структура) и AB 6 (октаедрична структура). Производни могат да бъдат получени от основни структури, ако вместо лиганд се появи самотна електронна двойка. Например: AB 3 E (пирамидална структура), AB 2 E 2 (ъглова структура на молекулата).

За да се определи геометричната структура (структура) на молекулата, е необходимо да се определи съставът на частицата, за която се изчислява броят на самотните електронни двойки (NPP):

NEP \u003d (общият брой на валентните електрони - броят на електроните, използвани за образуване на връзка с лиганди) / 2

Връзката с H, Cl, Br, I, F отнема по 1 електрон от А, връзката с O - 2 електрона и връзката с N - 3 електрона, всеки от централния атом.

Нека разгледаме молекулата BCl 3 като пример. Централният атом е В.

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

NEP \u003d (3-3) / 2 \u003d 0, следователно няма самотни електронни двойки и молекулата има структурата AB 3 - плосък триъгълник.

Подробности за геометричната структура на молекули с различен състав са представени в табл. 1.

Таблица 1. Пространствена структура на молекулите

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

В процеса на определяне на геометричната форма на химична частица е важно да се вземе предвид, че двойките валентни електрони на главния атом, включително тези, които не образуват химическа връзка, са разположени на голямо разстояние един от друг в пространството.

Характеристики на термина

Разглеждайки въпроса за ковалентните химически връзки, те често използват това понятие като хибридизация на атомни орбитали. Този термин се отнася до подреждането на формата и енергията. Хибридизацията на атомните орбитали е свързана с квантово-химичния процес на пренареждане. Орбиталите имат различна структура в сравнение с оригиналните атоми. Същността на хибридизацията се крие във факта, че електронът, който се намира до ядрото на свързания атом, се определя не от конкретна атомна орбитала, а от комбинацията им с равно главно квантово число. По принцип този процес се отнася до по-високите, близки по енергия атомни орбитали, които имат електрони.

Специфика на процеса

Видовете хибридизация на атомите в молекулите зависят от това как се случва ориентацията на новите орбитали. По вида на хибридизацията е възможно да се определи геометрията на йон или молекула, за да се предположат характеристиките на химичните свойства.

Типове хибридизация

Този тип хибридизация, като sp, е линейна структура, ъгълът между връзките е 180 градуса. Пример за молекула с тази опция за хибридизация е BeCl 2.

Следващият тип хибридизация е sp 2. Молекулите са с триъгълна форма, като ъгълът на връзката е 120 градуса. Типичен пример за тази опция за хибридизация е BCl 3.

Типът на хибридизация sp 3 предполага тетраедрична структура на молекулата; типичен пример за вещество с тази опция за хибридизация е метановата молекула CH 4. В този случай ъгълът на свързване е 109 градуса 28 минути.

Не само сдвоените електрони участват пряко в хибридизацията, но и неразделените двойки електрони.

Хибридизация във водна молекула

Например във водна молекула има две ковалентни полярни връзки между кислороден атом и водородни атоми. Освен това самият кислороден атом има две двойки външни електрони, които не участват в създаването на химическа връзка. Тези 4 електронни двойки в космоса заемат определено място около кислородния атом. Тъй като всички те имат един и същ заряд, те се отблъскват в космоса, електронните облаци са на значително разстояние един от друг. Типът на хибридизация на атомите в дадено вещество включва промяна във формата на атомните орбитали, те се разтягат и подравняват към върховете на тетраедъра. В резултат на това молекулата на водата придобива ъглова форма, ъгълът на връзка между кислород-водородните връзки е 104,5 o.

За да предскажете вида на хибридизацията, можете да използвате донорно-акцепторния механизъм на образуване на химическа връзка. В резултат на това свободните орбитали на елемента с по-ниска електроотрицателност, както и орбиталите на елемента с по-висока електрическа отрицателност, върху които е разположена двойка електрони, се припокриват. В процеса на изготвяне на електронната конфигурация на атом се взема предвид тяхното окислително състояние.

Правила за идентифициране на типа хибридизация

За да се определи вида хибридизация на въглерода, могат да се използват определени правила:

• разкрива централния атом, изчислява броя на σ-връзките;
• поставете в частицата степента на окисление на атомите;
• записване на електронната конфигурация на главния атом в желаното окислително състояние;
• съставят диаграма на разпределението на валентните електрони над орбиталите, сдвоявайки електрони;
• освобождават орбитали, които участват пряко в образуването на връзки, намират несдвоени електрони (ако броят на валентните орбитали е недостатъчен за хибридизация, се използват орбитали от следващото енергийно ниво).

Геометрията на молекулата се определя от вида на хибридизацията. Не се влияе от наличието на pi връзки. В случай на допълнително свързване е възможна промяна в ъгъла на връзката; причината е взаимното отблъскване на електрони, които образуват множествена връзка. Така в молекулата на азотния оксид (4) със sp 2 -хибридизация ъгълът на връзка се увеличава от 120 градуса до 134 градуса.

Хибридизация в амонячната молекула

Неразделена двойка електрони влияе на получената степен на диполния момент на цялата молекула. Амонякът има тетраедрична структура заедно с неразделена двойка електрони. Йонността на връзките азот-водород и азот-флуор има показатели от 15 и 19 процента, дължините се определят съответно на 101 и 137 pm. По този начин молекулата на азотния флуорид трябва да има по-голям диполен момент, но експерименталните резултати показват обратното.

Хибридизация в органични съединения

Всеки клас въглеводороди има свой собствен тип хибридизация. Така че, когато се образуват молекули от класа на алканите (наситени въглеводороди), и четирите електрона на въглеродния атом образуват хибридни орбитали. Когато се припокриват, се образуват 4 хибридни облака, израстващи до върховете на тетраедъра. Освен това техните върхове се припокриват с нехибридни s-орбитали на водород, образувайки проста връзка. За наситените въглеводороди е характерна sp 3 -хибридизацията.

В ненаситените алкени (етиленът е техният типичен представител) в хибридизацията участват само три електронни орбитали, s и 2 p, три хибридни орбитали образуват триъгълник в пространството. Нехибридните p-орбитали се припокриват, създавайки множествена връзка в молекулата. Този клас органични въглеводороди се характеризира със sp 2-хибридното състояние на въглеродния атом.

Алкините се различават от предишния клас въглеводороди по това, че в процеса на хибридизация участват само два вида орбитали: s и p. Останалите два нехибридни р-електрона на всеки въглероден атом се припокриват в две посоки, образувайки две множество връзки. Този клас въглеводороди се характеризира със sp-хибридното състояние на въглеродния атом.

Заключение

Чрез определяне на типа хибридизация в молекула е възможно да се обясни структурата на различни неорганични и органични вещества, да се предвидят възможните химични свойства на определено вещество.