Виды гибридизации АО

Виды гибридизации электронных облаков

Гибридизация АО – это выравнивание валентных АО по форме и энергии в процессе образования химической связи.

1. В гибридизации могут участвовать только те АО, энергия которых достаточно близка (например, 2s- и 2р-атомные орбитали).

2. В гибридизации могут участвовать вакантные (свободные) АО, орбитали с неспаренными электронами и неподеленными электронными парами.

3. В результате гибридизации появляются новые гибридные орбитали, которые ориентируются в пространстве таким образом, чтобы после их перекрывания с орбиталями других атомов электронные пары оказались максимально удаленными друг от друга. Такое состояние молекулы отвечает минимуму энергии в силу максимального отталкивания одноименно заряженных электронов.

4. Вид гибридизации (число АО, подвергающихся гибридизации), определяется числом "атакующих" данный атом атомов и числом неподеленных электронных пар в данном атоме.

Например, в молекуле аммиака NH₃ атом азота "атакуют" 3 атома водорода, кроме того, атом азота имеет 1 неподеленную пару электронов. В связи с этим число гибридных АО у атома азота равно (3 + 1) = 4, соответственно вид гибридизации – sp³.

АО, не имеющие электронов в основном состоянии атома либо ставшие вакантными при перераспределении электронов в процессе образования молекулы, могут не участвовать в гибридизации, если для них не хватает "атакующих" атомов (для образования s-связей). Такие АО частично или полностью включаются в образование p-связей.

Например, атом С может быть в состоянии sp-, sp²- и sp³-гибридизации.

1. sp-гибридизация. Такой вид гибридизации характерен для атомов элементов 2-ой группы периодической системы в молекулах типа ЭХ₂ (например, в молекулах галогенидов бериллия, цинка, кадмия и ртути), а также для атома С в молекулах алкинов (при тройной связи), карбина, СО₂.

Пример. ВеF₂. В момент образования связи происходит перестройка АО атома Ве, переходящего в возбужденное состояние: Ве 1s²2s² ® Ве* 1s²2s¹2p¹.

Гибридные АО располагаются под углом 180^о. Благодаря такому виду гибридизации обе связи являются одинаковыми и молекула имеет линейное строение: F–Be–F.

2. sp²-гибридизация. Такой вид гибридизации характерен для атомов элементов 3-ей группы периодической системы в молекулах типа ЭХ₃ (например, в соединениях бора – галогенидах, борной кислоте, триметилборе), а также для атома С в графите, молекулах алкенов, алкадиенов (при двойных связях), бензола.

Пример. ВF₃. В момент образования связи происходит перестройка АО атома В, переходящего в возбужденное состояние: В 1s²2s²2p¹ ® B* 1s²2s¹2p².

Гибридные АО располагаются под углом 120^о. Молекула имеет форму правильного треугольника (плоская, треугольная):

3. sp³-гибридизация. Такой вид гибридизации характерен для атомов 4-ой группы (например, углерода, кремния, германия) в молекулах типа ЭХ₄, а также для атома С в алмазе, молекулах алканов, для атома N в молекуле NH₃, NH₄⁺, атома О в молекуле Н₂О и т.д.

Пример 1. СН₄. В момент образования связи происходит перестройка АО атома С, переходящего в возбужденное состояние: С 1s²2s²2p² ® С* 1s²2s¹2p³.

Гибридные АО располагаются под углом 109^о28'.

Молекула имеет форму тетраэдра:

Пример 2. NН₃ и NН₄⁺.

Электронная структура атома N: 1s²2s²2p³. Гибридизации подвергаются 3 АО, содержащие неспаренные электроны, и 1 АО, содержащая неподеленную электронную пару. В силу более сильного отталкивания неподеленной электронной пары от электронных пар s-связей угол связи в молекуле аммиака составляет 107,3^о (ближе к тетраэдрическому, а не к прямому).

Молекула имеет форму тригональной пирамиды:

Представления об sp³-гибридизации позволяют объяснить возможность образования иона аммония и равноценность связей в нем.

Пример 3. Н₂О.

Электронная структура атома О 1s²2s²2p⁴. Гибридизации подвергаются 2 АО, содержащие неспаренные электроны, и 2 АО, содержащие неподеленные электронные пары. Угол связи в молекуле воды составляет 104,5^о (также ближе к тетраэдрическому, а не к прямому).

Молекула имеет угловую форму:

Представления об sp³-гибридизации позволяют объяснить возможность образования иона оксония (гидроксония) и образование каждой молекулой 4-х водородных связей в структуре льда.

4. sp³d-гибридизация. Такой вид гибридизации характерен для атомов элементов 5-ой группы (начиная с Р) в молекулах типа ЭХ₅.

Пример. РСl₅. Электронная структура атома Р в основном и возбужденном состояниях: Р 1s²2s²2p⁶3s²3p³ ® P* 1s²2s²2p⁶3s¹3p³3d¹. Форма молекулы – гексаэдр (точнее – тригональная бипирамида):

5. sp³d²-гибридизация. Такой вид гибридизации характерен для атомов элементов 6-ой группы (начиная с S) в молекулах типа ЭХ₆.

Пример. SF₆. Электронная структура атома S в основном и возбужденном состояниях: S 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴ ® P* 1s²2s²2p⁶3s¹3p³3d².

Форма молекулы – октаэдр:

6. sp³d³-гибридизация. Такой вид гибридизации характерен для атомов элементов 7 группы (начиная с Cl) в молекулах типа ЭХ₇.

Пример. IF₇. Электронная структура атома F в основном и возбужденном состояниях: I 5s²3p⁵ ® I* 5s¹3p³3d³. Форма молекулы – декаэдр (точнее – пентагональная бипирамида):