Типы гибридизации

Чаще всего встречаются гибридизации sp, sp², sp³ и sp³d². Каждому типу гибридизации соответствует определенное пространственное строение молекул вещества.

sp-Гибридизация. Этот тип гибридизации наблюдается при образовании атомом двух связей за счет электронов, находящихся на s-орбитали и на одной p-орбитали (одного и того же энергетического уровня). При этом образуются две гибридные q-орбитали, направленные в противоположные стороны под углом 180 º (рис. 22).

Рис. 22. Схема sp-гибридизации

При sp-гибридизации образуются линейные трехатомные молекулы типа АВ₂, где А – центральный атом, у которого происходит гибридизация, а В – присоединенные атомы, у которых гибридизация не происходит. Такие молекулы образуются атомами бериллия, магния, а также атомами углерода в ацетилене (С₂Н₂) и в углекислом газе (СО₂).

Пример 5. Объясните химическую связь в молекулах ВеН₂ и ВеF₂ и строение этих молекул.

Решение. Атомы бериллия в нормальном состоянии не образуют химических связей, т.к. не имеют неспаренных электронов (2s²). В возбужденном состоянии (2s¹2p¹) электроны находятся на разных орбиталях, поэтому при образовании связей происходит sp-гибридизация по схеме, приведенной на рис. 22. К двум гибридным орбиталям присоединяются два атома водорода или фтора, как показано на рис. 23.

1) 2)

Рис. 23. Схема образования молекул ВеН₂ (1) и ВеF₂ (2)

Образующиеся молекулы – линейные, валентный угол 180º.

Пример 6. По экспериментальным данным молекула СО₂ – линейная, причём, обе связи углерода с кислородом одинаковы по длине (0,116 нм) и энергии (800 кДж/моль). Как объясняются эти данные?

Решение. Эти данные о молекуле диоксида углерода объясняет следующая модель ее образования.

Атом углерода образует связи в возбужденном состоянии, при котором он имеет четыре неспаренных электрона: 2s¹2p³. При образовании связей происходит sp-гибридизация орбиталей. Гибридные орбитали направлены по прямой линии в противоположные стороны от ядра атома, а оставшиеся две чистые (негибридные) p-орбитали располагаются перпендикулярно друг к другу и к гибридным орбиталям. Все орбитали (гибридные и негибридные) содержат по одному неспаренному электрону.

Каждый атом кислорода, имеющий два неспаренных электрона на двух взаимно перпендикулярных p-орбиталях, присоединяется к атому углерода s-связью и p-связью: s-связь образуется с участием гибридной орбитали углерода, а p-связь образуется перекрыванием чистых p-орбиталей атомов углерода и кислорода. Образование связей в молекуле СО₂ показано на рис. 24.

Рис. 24. Схема образования молекулы СО₂

Кратность связи, равная двум, объясняет большую прочность связи, а sp-гибридизация – линейное строение молекулы.

Смешивание одной s- и двух p-орбиталей называется sp²-гибридизацией. При этой гибридизации получаются три равноценные q-орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120º (рис. 25).

Рис. 25. Схема sp²-гибридизации

Образующиеся при этой гибридизации молекулы типа АВ₃ имеют форму плоского правильного треугольника с атомами А в центре и атомами В в его вершинах. Такая гибридизация происходит в атомах бора и других элементов третьей группы и в атомах углерода в молекуле С₂Н₄ и в ионе СО₃^2-.

Пример 7. Объясните образование химических связей в молекуле ВН₃ и ее строение.

Решение. Экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что в молекуле ВН₃ все три связи В–Н расположены в одной плоскости, углы между связями равны 120º. Это строение молекулы объясняется тем, что в атоме бора в возбужденном состоянии смешиваются валентные орбитали, заселённые неспаренными электронами (2s¹2p²) и он образует связи sp²-гибридными орбиталями. Схема молекулы ВН₃ приведена на рис. 26.

Рис. 26. Схема образования молекулы ВН₃

Если в гибридизации участвуют одна s- и три p-орбитали (sp³-гибридизация), то в результате образуются четыре гибридные орбитали, направленне к вершинам тетраэдра, т.е. ориентированные под углами 109º28^¢ (~109,5º) друг к другу. Образующиеся молекулы имеют тетраэдрическое строение. Гибридизацией этого типа объясняется строение предельных углеводородов, соединений углерода с галогенами, многих соединений кремния, катиона аммония NH₄⁺ и др. Классическим примером этой гибридизации является молекула метана CH₄ (рис. 27)

Рис. 27. Схема образования химических связей в молекуле СН₄

Если в гибридизации участвуют одна s-, три p- и две d-орбитали (sp³d²- гибридизация), то возникают шесть гибридных орбиталей, напрвленных к вершинам октаэдра, т.е. ориентированных под углами 90º друг к другу. Образующиеся молекулы имеют октаэдрическое строение. Гибридизацией этого типа объясняется строение соединений серы, селена и теллура с галогенами, например SF₆ и SeF₆, и многих комплексных ионов: [SiF₆]^2–, [Fe(CN)₆]^3– и т.д. На рис. 28 показано образование молекулы гексафторида серы.

Рис. 28. Схема молекулы SF₆

Химические связи с участием гибридных орбиталей отличаются большой прочностью. Если энергию s-связи, образованную «чистыми» s-орбиталями, принять за единицу, то энергия связи при sp-гибридизации будет равна 1,43, при sp²-гибридизации 1,99, при sp³-гибридизации 2,00, а при sp³d²-гибридизации 2,92. Увеличение прочности связей объясняется более полным перекрыванием гибридных орбиталей с негибридными при образовании химической связи.

Кроме рассмотренных типов гибридизации, в химических соединениях встречаются гибридизации sp²d, sp³d, sp³d³, sp³d³ и другие. При sp²d-гибридизации молекулы и ионы имеют квадратную форму, при sp³d-гибридизации – форму тригональной бипирамиды и при sp³d³-гибридизации – пентагональной бипирамиды. Другие типы гибридизации встречаются редко.

Пример 8. Приведены уравнения двух похожих реакций:

1) CF₄ + 2HF = H₂CF₆; 2) SiF₄ + 2HF = H₂SiF₆

Какая из них невозможна с точки зрения образования химических связей?

Решение. Для образования H₂CF₆ необходима sp³d²-гибридизация, но в атоме углерода валентные электроны находятся на втором энергетическом уровне, на котором нет d-орбиталей. Поэтому первая реакция в принципе невозможна. Вторая реакция возможна, так как sp³d²-гибридизация у кремния возможна.

Дата добавления: 2014-12-16