Гібридизація атомних орбіталей

Різниця у формі та енергії атомних орбіталей повинна спричиняти утворення хімічних зв’язків С – Н, відмінних за своєю енергією. Однак дослідження доводять, що насправді зв’язки однакові завдяки явищу гібридизації.

Гібридизація – це процес змішування та вирівнювання орбіталей за формою і енергією, при якому відбувається перерозподіл електронних густин близьких за енергією орбіталей, внаслідок чого вони стають рівноцінними.

Для валентних орбіталей збудженого атома карбону можливі три типи гібридизації.

s p-Гібридизація. При комбінації однієї s- i однієї р-орбіталей виникають дві sp-гібридизовані орбіталі, розміщені симетрично під валентним кутом 180⁰ (рис. 7.7).

Валентним називається кут між вісями зв’язку – уявними лініями, які проходять через ядра хімічно сполучених атомів.

Зв’язки, які утворюються за участю електронів валентних орбіталей, також розміщуються під кутом 180⁰, що зумовлює лінійну форму молекули. Такий тип гібридизації спостерігається в молекулах вуглеводнів з потрійними зв’язками (наприклад, в ацетилені НСºСН).

Рисунок 7.7 – Загальна схема sp-гібридизації

s p²-Гібридизація. Комбінація однієї s- і двох р-орбіталей приводить до утворення sp²-гібридизованих зв'язків, розміщених під кутом 120⁰ (рис. 7.8). Тому фрагмент молекули, в якому зв’язки утворені за рахунок sp²-гібридизованих орбіталей, набуває форми правильного трикутника. Наприклад, збуджений атом карбону С^*(2s¹2p³) перебуває у стані sp²-гібридизації в молекулі етилену (Н₂С=СН₂). Три гібридизовані орбіталі кожного атому карбону утворюють три зв’язки: два з атомами гідрогену (С–Н) і один з сусіднім атомом карбону (С–С), а негібридизовані р-орбіталі утворюють ще один додатковий зв’язок між атомами карбону.

Рисунок 7.8 – Схема sp²-гібридизації атомних орбіталей і плоска трикутна форма молекули, зумовлена sp²-гібридизацією атомних орбіталей

sp³-Гібридизація. Комбінація чотирьох орбіталей (однієї s- і трьох р-) приводить до sp³-гібридизації, при якій чотири гібридизовані орбіталі симетрично орієнтовані у просторі до чотирьох вершин тетраедра, тобто під кутом 109⁰28` (рис. 7.9). Тетраедричне розміщення зв’язків зумовлює тетраедричну форму молекул, що характерно для насичених сполук чотиривалентного карбону (СН₄, СCl₄, C₂H₆).

Рисунок 7.9 – Схема sp³-гібридизації атомних орбіталей і тетраедрична форма молекули, що зумовлена sp³-гібридизацією

Так, в молекулі метану СН₄ атом карбону, який в основному стані мав електронну структуру 2s²2p², а після збудження – 2s¹2p³, піддається sp³-гібридизації, причому кожна з чотирьох гібридизованих орбіталей містить по одному неспареному електрону:

і утворює чотири рівноцінні зв’язки при перекриванні з сферичними 1s-орбіталями чотирьох атомів Н. Це сприяє симетричному перекриванню електронних орбіталей у вершинах уявного тетраедру з атомом С* у центрі (рис. 7.10).

Рисунок 7.10 – Тетраедрична форма молекули СН₄, що зумовлюється sp³-гібридизацією орбіталей атома С*

Дата добавления: 2014-01-07