Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Июль » 10 » 9. Типы гибридизации
15:24
9. Типы гибридизации

Кроме двухатомных существуют и много более сложные молекулы, включающие до нескольких тысяч различных атомов. Общие принципы образования таких молекул мы сейчас и рассмотрим. Примеры определения типов гибридизации центральных атомов

Первое что нужно знать при рассмотрении молекулы, это ее состав. Как правило, он указан, если нет, то используем правила из раздела "классы химических соединений”. Итак, имея формулу, например N2, решаем, сколько связей образует каждый атом. На рисунке 1, в верхней части, расписаны электроны атома азота. Как видим, у азота, на верхнем электронном слое 5 электронов, но так как 2 из них спарены в не поделенную электронную пару, и не могут участвовать в образовании химической связи, то имеем 3 валентных электрона. Значит, атом азота образует 3 связи. Так как атома 2, то каждый из них образует 3 химические связи с вторым атомом – связь тройная. Это, так называемая, кратность связи, она указывает, сколько химических связей образованно между этими двумя атомами.

Ниже изображена молекула N2, как видим, по три гибридизованных p-электронных орбитали от каждого атома участвуют в образовании связи со вторым атомом. А неподеленная пара электронов, на 2s-орбитали, после гибридизации "вытолкнута” р-орбиталями в противоположную сторону от области высокой электронной плотности. При этом, "хвостик” гибридизованного s-электронного облака обязан своей форме не столько притяжению ядер атомов (как для валентных орбиталей), а напротив, отталкиванием электронов от областей высокой электронной плотности между атомами.

Вы наверняка обратили внимание, что области перекрытия валентных орбиталей находятся не на линии, соединяющей ядра атомов, а симметрично вокруг этой линии. Так происходит из-за взаимного отталкивания электронов в областях высокой электронной плотности. Но, в любом случае, области перекрытия валентных орбиталей расположены симметрично относительно линии связи.

Рисунок 1.

Таким образом, мы имеем: одинарные, двойные или тройные связи. Если химическая связь одинарная, и область перекрытия валентных орбиталей лежит на линии соединяющей ядра атомов, то такая связь называется σ-связь (сигма-связь), а если связь двойная, тогда говорят: одна сигма- и одна пи-связь (π-связь). Если связь тройная, как в случае молекулы азота, тогда: одна сигма- и две пи-связи. Пи-связи менее прочные, чем сигма-связи, как из-за отклонения максимумов электронной плотности от линии связи, так и из-за большей уязвимости связи к атакам извне положительно заряженными ионами (так как область перекрытия электронных облаков более "вынесена” к границе молекулы). Несмотря на это, молекула азота – одна из самых прочных молекул. В нижней части рисунка 1 представлено графическое изображение молекулы азота.

На рисунке 2 приведен другой случай образования связей в молекуле – молекула аммиака. Верхняя строка говорит нам о необходимости дать некоторую энергию (кванты света, нагрев и др.) молекуле азота, чтобы перевести ее в атомарное, то есть активное состояние. Разумеется, связи разрываются по одной, и существование атома No маловероятно. Как мы уже рассмотрели выше, атом азота имеет на внешнем электронном слое неподеленную электронную пару на 2s-орбитали (отмечено желтым) и три валентные 2р-орбитали. Следовательно, если мы предоставим азоту атомы водорода, активированные аналогично, то водород, имея один валентный электрон на 1s-орбитали, образует одну химическую связь с атомом азота. Итого, три атома водорода образуют связи с каждым атомом азота. При этом выделяется энергия образования химических связей hv2. Молекула изображена внизу справа; атомы водорода показаны синим цветом, неподеленная гибридизованная 2s-орбиталь выделена красным.

Рисунок 2.

Существует понятие тип гибридизации электронных орбиталей, он указывает на то, сколько и каких электронных орбиталей данного атома участвуют в образовании химических связей. При этом берется сумма валентных орбиталей и неподеленных электронных пар верхнего электронного слоя атома. Тип гибридизации указывает на угол связи в молекуле, и как следствие, на форму молекулы.

В приведенных выше примерах, тип гибридизации атома азота, в обоих случаях sp3, то есть, в образовании связей участвуют одна s- и три р-орбитали. Угол связи, в данном случае 109,7о, но это значение ориентировочное и может немного искажаться влиянием различных факторов, например, высокой электронной плотностью на орбитали с неподеленной электронной парой.

В случае sp-гибридизации, угол связи 180о, то есть молекула линейна. Если sp2-гибридизация, то угол связи 120о. На рисунке 3 приведен другой пример, с атомом углерода (С). Действуя по аналогии, расписываем верхний электронный слой центрального атома и определяем валентные электроны. В невозбужденном состоянии, у атома углерода имеется 2 валентных р-электрона. Он может образовать связь с одной молекулой кислорода (так же, имеющей два валентных электрона). В результате получается газ СО ("угарный газ”, "печной газ”, "генераторный газ”, это наиболее распространенные классические названия).

При активации атома углерода, небольшой добавкой энергии, неподеленная 1s2 электронная пара разрывается и один электрон переходит на свободную р-орбиталь. Таким образом, имеем 4 валентных электрона на внешнем электронном слое атома углерода, что соответствует максимальной валентности для 4-й группы элементов (4-й столбец периодической таблицы). В этом случае один атом углерода может соеденится с двумя атомами кислорода, образуя соединение СО2, также известное как "углекислый газ” (знакомый нам по пузырькам в минеральной воде).

Рисунок 3.

В зависимости от количества кислорода, реакция может идти до 2-х или сразу 4-х валентного соединения углерода. Неподеленная электронная пара кислорода на 2р-орбитали, показана черным цветом, так как она существенно влияет на свойства соединений содержащих кислород (но ее указывать не обязательно, как например, в случае приведенном ниже).

Справа внизу, в скобках приведено графическое изображение молекулы углекислого газа, указаны заряды на атомах. Обращаю внимание, связь углерод-кислород является ковалентной полярной и там нет анионов и катионов, но данная форма записи является общепринятой. Почему, Вы поймете в разделе "Окислительно-восстановительные реакции”.

На рисунке 4 приведен еще один интересный случай. Атом серы, после активации становится шести валентным, что соответствует максимальной валентности для 6-й группы периодической таблицы. При этом происходит переход электронов из неподеленных электронных пар на пустые 3d-орбитали. Изображен только верхний электронный слой. Тип гибридизации sp3d2, он соответствует гексагональной бипирамиде (двойная пирамида). Угол связи в этом случае составляет (как и для sp3d-гибридизации) 90о. Для примера соединения шестивалентной серы приведено соединение серы с кислородом SO3 ("серный ангидрид”). При недостатке кислорода может распарится (от слова "пара”) только одна неподеленная электронная пара, и образуется сернистый ангидрид SO2, с гибридизацией sp3d.

Рисунок 4.

Справа внизу приведена схематическая структура молекулы SO3. Черным цветом обозначены воображаемые грани гексаэдра, зеленым – направления ориентации в пространстве шести валентных орбиталей. Красным цветом – направления валентных орбиталей атомов кислорода. Значок "+” в центре, символизирует атом серы с зарядом 6+. А минусы на периферии, обозначают атомы кислорода с зарядом 2-.

Можно долго и детально разбирать подобные и более сложные примеры, но мы не будем терять на это время. Надеюсь, что Вы, мой уважаемый читатель, потренируетесь сами. В любом случае, полученных знаний нам пока достаточно чтобы двигаться дальше.
Категория: Фундамент | Просмотров: 12922 | Добавил: Chemadm | Теги: строние вещества, атомные орбитали, валентный угол, Химическая связь | Рейтинг: 4.5/45
Всего комментариев: 3
1
1  
Хорошо бы привести больше примеров определения типа гибридизации для различных молекул.

0
2  
Спасибо за внимание к материалу сайта, скоро займусь этим вопросом

0
3  
Уже сделано, переходите по ссылке в начале статьи.

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]