4.6. Уявлення про гібридизацію атомних орбіталей.
Розглянемо будову молекули сполуки берилію з воднем - BeH2 (гідрид берилію), в якому водень має валентністьI, а берилій валентністьII.
Графічне зображення молекули BeH2:
H I ― Be II ― H I .
У цьому поєднанні атом водню 1H1s1, в якому єдиний електрон розташований на сферичній атомній орбіталі, з'єднується з атомом берилію.
Електронно-графічна формулаатома водню :
Форма орбіталі атома водню:
Електронна формула атома берилію:4Bе 1s2 2s2
і форма орбіталі атома
Як видно з електронно-графічної формули, атом берилію не має неспарених електронів і валентність берилію в основному стані дорівнює нулю. Валентність, рівну двом, атом берилію, виявляє у збудженому стані 4Bе٭ 1s2 2s1 2р1 :
Електронно-графічна формула атома берилію
у збудженому стані:
Таким чином, у атома берилію в утворенні хімічного зв'язку мали б брати участь електрони, що знаходяться на двох різних атомних орбіталях -2sі 2pі мають різну форму та різну енергію. Однак, енергії кожного з двох зв'язків у молекулі BeH2 мають однакові значення. Вирівнювання енергій різних атомних орбіталей обумовлене явищемгібридизаціі.
Гібридизаціяце явище, при якому з двох або більшого числа атомних орбіталей різних енергій і різної форми утворюється така ж кількість видозмінених орбіталей, що мають однакову енергію.
У нашому випадку, в гібридизації беруть участь атомні орбіталі одногоs- та одногоp-електронівsp-гібридизація (рис. 4.19).
Мал. 4.19. Форми вихідних та гібридизованих орбіталей атома берилію.
При такій гібридизації утворюються 2 гібридні орбіталі, які розташовані на одній осі та орієнтовані один до одного під кутом 180° (рис. 4.20).
180 0
Мал. 4.20. Розташування двох і sp-гібридизованих орбіталей у просторі.
Таке розташування гібридних орбіталей визначає лінійну форму молекули. Дві сферичні орбіталі двох атомів водню перекриваються з двома sp -гібридними орбіталями берилію (рис. 4.21).
Мал. 4.21. Перекривання атомних орбіталей у молекуліBeH2
Приклади хімічних сполук, для яких характерна sp-гібридизація: BeCl2, BeH2, CO, CO2, HCN. Такожsp-гібридизація спостерігається у всіх ацетиленових вуглеводнях (алкінах) та деяких інших органічних сполуках.
Уsp2 -гібридизаціїберуть участь атомні орбіталі одногоs- та двохp-Електронів (рис. 4.22).
Мал. 4.22. Форми орбіталей приsp2-гібридизації.
У результаті гібридизації утворюються три гібридні 2 -орбіталі, розташовані в одній площині під кутом 120 ° один до одного (рис. 4.23).
Мал. 4.23. Розташування орбіталей у просторі при sp2- гібридизації.
Форма молекули, що має три гібридні sp 2 -орбіталі являє собою плоский трикутник. Таку форму має, наприклад, молекула хлориду алюмінію AlCl3. Схема перекривання електронних орбіталей цієї молекули показано на рис. 4.24.
Прикладами інших сполук, в яких має місцеsp2-гібридизація, є молекули:BCl3,SO3,BF3і іони:
Мал. 4.24. Перекривання атомних орбіталей у молекуліAlCl3
Наприклад, в молекулі етилену (C2H4), обидва атоми вуглецю, що знаходяться у збудженому стані (sp2 -гібридизація) пов'язані один з одним подвійними хімічними зв'язками, утворюючи одну σ-зв'язок і одну π-зв'язок. Ще по дві σ-зв'язку кожен атом вуглецю утворює при з'єднанні з атомами водню.
Уsp3-гібридизаціїберуть участь однаs- і триp- атомні орбіталі (рис.4.25).
Мал. 4.25. Освітаsp3-гібридних орбіталей.
З чотирьох звичайних атомних орбіталей утворюється така ж кількість видозмінених гібридних орбіталів, які симетрично орієнтовані в просторі під кутом 109 ° 28 '. Просторова конфігурація молекули, центральний атом якої утворений 3 -гібридними орбіталями - тетраедр.
Схема перекривання електронних хмар у молекулі метану (CH4), в якій атом вуглецю знаходиться вsp3 -гібридизації представлена на рис. 4.26.
Приклади сполук, для яких характерна sp 3 -гібридизація: NH3, POCl3, SO2F2, SOBr2, NH 4+ , H3O + . Такожsp3 -гібридизація спостерігається у всіх граничних вуглеводнях (алкани, циклоалкани), деяких інших органічних сполуках.
Мал. 4.26. Схема перекривання електронних хмар у молекулі метану CH4
Слід мати на увазі, що не завжди просторова конфігурація молекули, що має тип гібридизації відповідає тетраедру.
Наприклад, у молекулі аміаку (NH3) валентність атома азотудорівнює III та її п'ять електронів зовнішнього рівня займають чотири орбіталі (однуsі триp). Всі вони беруть участь у гібридизації (тип гібридизації -sp3 ), але тільки три орбіталі (р-орбіталі) беруть участь в утворенні хімічного зв'язку. Тетраедр без однієї вершини перетворюється на піраміду. Тому у молекули аміаку форма молекули пірамідальна, кут зв'язку спотворюється до 107 30 '. Аналогічні міркування про будову молекули води (H2O) призводять нас до того, що кисень знаходиться в гібридному стані, а форма молекули кутова, кут зв'язку становить 104 ° 27 '.