Вопрос № 5. Концепция гибридизации АО и пространственное строение молекул

Концепция гибридизации - это удобный описательный прием, который помогает нам описать эквива-лентные, определенным образом направленные связи, объективно существующие в природе.

Идея о гибридизации была выдвинута американским ученым Л. Полингом. Он исходил из того, что значения энергии Е для s- и р-орбиталей либо совпадает между собой (ПР: атом водорода и водородоподобные ионы), либо различаются ненамного. Тогда состояния валентных электронов описывается не чистыми s-, p-, d-орбиталями, а смешанными или гибридными волновыми функциями, которые представляют собой линейную комбинацию собственных функций, описывающих состояние исходных электронов. ПР: для возбужденного атома С вместо одного 2s- и трех 2р-состояний в результате гибридизации получаются 4 вырожденные гибридные орбитали, Е которых промежуточна м-у Е 2s- и 2р- орбиталей. Такая гибридизация наз тетраэдрической или sp³- гибридизацией.

Т.о., число гибридных орбиталей всегда = суммарному числу исходных орбиталей. Кроме того, при возникновении гибридных орбиталей необходимо соблюдение следующих условий: 1) хорошее перекрывание гибридизуемых электронных орбиталей; 2) небольшая разница в энергиях атомных орбиталей, участвующих в гибридизации. ПР: 1s-орбитали не могут гибридизоваться с 2р-орбиталями, так как у них различные значения главного квантового числа, а потому их энергии сильно различаются. Гибридизация всегда сопровождается изменением формы электронного облака. При этом гибридное электронное облако асимметрично: имеет большую вытянутость по одну сторону от ядра, чем по другую. Поэтому хим. связи, образованные с участием гибридных орбиталей, обладают большей прочностью, чем связи за счет чистых негибридных электронных облаков. Гибридизация одной s-орбитали и одной р-орбтали приводит к возникновению двух гибридных облаков, расположенных под углом 180°. Это так называемая sp-гибридизация, в результате которой гибридные облака располагаются по прямой (ПР: BeCl₂, CaCl₂).

Комбинация одной s- и двух p-орбиталей приводит к возникновению трех асимметричных гибридных орбиталей, расположенных под углом 120°. Это sр²- гибридизация. Например, возбужденный атом бора подвергается sр² -гибридизации, в результате ВС1₃ представляет равносторонний треугольник.

При sp^з-гибридизации четыре гибридных облака располагаются под тетраэдрическим углом 109° 28'. Этот угол является оптимальным, обеспечивающим максимальное взаимное удаление и минимальную энергию отталкивания асимметричных гибридных облаков своими утолщенными частями, что обеспечивает минимум энергии системы. Поэтому молекула CH₄ представляет собой правильный тетраэдр, в центре которого находится атом углерода с четырьмя тетраэдрически направленными гибридными облаками. Четыре атома водорода занимают вершины тетраэдра, химические связи направлены к вершинам тетраэдра. Угол между связями равен точно тетраэдрическому.

В атомах с d-электронными орбиталями гибридизация приводит к образованию более сложных конфигураций электронных облаков. Гибридизация с участием f-электронных состояний пока еще почти не разработана.

Таблица 1. Пространственное расположение для различных типов гибридизации с участием s-, р-, d -орбиталей