Гибридизация электронных орбиталей

Метод валентных связей позволяет наглядно объяснить пространственные характеристики многих молекул. Однако, привычного представления о формах орбиталей не достаточно для ответа на вопрос, почему при наличии у центрального атома разных – s, p, d – валентных орбиталей, образованные им связи в молекулах с одинаковыми заместителями оказываются эквивалентными по своим энергетическим и пространственным характеристикам. В двадцатые годы XIX века Лайнусом Полингом была предложена концепция гибридизации электронных орбиталей. Под гибридизацией понимают абстрактную модель выравнивания атомных орбиталей по форме и энергии.

Примеры формы гибридных орбиталей представлены в таблице 5.

Таблица 5. Гибридные sp, sp ² , sp ³ орбитали

Тип гибидизации	Преобразование	Геометрия молекул	Примеры
sp		линейная	BeH2, CO2 , ацетилен, карбин.
sp 2		треугольник	BCl3, NO3– , этилен, графит
sp 3		тетраэдр	SiH4, H2O, этан. алмаз

Концепцию гибридизации удобно использовать при объяснении геометрической формы молекул и величины валентных углов (примеры заданий 2– 5).

Алгоритм определения геометрии молекул методом ВС:

а. Определить центральный атом и количество σ-связей с концевыми атомами.

б. Составить электронные конфигурации всех атомов, входящих в состав молекулы и графические изображения внешних электронных уровней.

в. Согласно принципам метода ВС на образование каждой связи нужна пара электронов, в общем случае, по одному от каждого атома. Если неспаренных электронов центральному атому недостаточно, следует предположить возбуждение атома с переходом одного из пары электронов на более высокий энергетический уровень.

г. Предположить необходимость и тип гибридизации с учетом всех связей и, для элементов первого периода, неспаренных электронов.

д. Опираясь на вышеизложенные умозаключения изобразить электронные орбитали (гибридные или нет) всех атомов в молекуле и их перекрывание. Сделать вывод о геометрии молекулы и приблизительной величине валентных углов.

е. Определить степень полярности связи исходя из значений электроотрицательностей атомов (табл.6) Определить наличие дипольного момента исходя из расположения центров тяжести положительного и отрицательного зарядов и/или симметрии молекулы.

Таблица 6. Значения электроотрицательности некоторых элементов по Полингу

Элемент	H	Be	Al	B	C	Cd	Cl	F	Ga
c	2,1	1,5	1,5	2,0	2,5	1,7	3,0	4,0	1,6
Элемент	О	Te	Hg	N	P	Pb	Si	Sn	Zn
c	3,5	2,1	1,9	3,0	2,1	1,9	1.8	1,8	1.6

 

Примеры заданий

Задание 1. Опишите методом ВС химическую связь в молекуле СО.

Решение (рис.25)

а. Составить электронные конфигурации всех атомов, входящих в состав молекулы.

б. Для образования связи необходимо создать обобществленные электронные пары

C: [He]2 s 2 p 2 O: [He]2 s 2 p 4
	Возможно образование двойной связи, поскольку оба элемента имеют по два неспаренных электрона	Возможно образование связи По донорно-акцепторному механизму

Рисунок 25. Схема образования связи в молекуле СО (без гибридизации орбиталей)

Вывод: В молекуле СО – тройная связь С≡О

Для молекулы СО можно предположить наличие sp -гибридизации орбиталей обоих атомов (рис.26). Спаренные электроны, не участвующие в образовании связи находятся на sp -гибридной орбитали.

Рисунок 26. Схема образования связи в молекуле СО (с учетом гибридизации орбиталей)

 

Задание 2. На основе метода ВС предположить пространственное строение молекулы BeH₂ и определить является ли молекула диполем.

Решение задачи представлено в таблице 7.

Таблица 7. Определение геометрии молекулы BeH₂

	Электронная конфигурация	Графическое изображение орбиталей внешнего уровня	Примечания
а.			Центральный атом – бериллий. Ему необходимо образовать две ϭ-связи с атомами водорода
б.	H: 1 s 1 Be: [He]2 s 2		У атома водорода есть неспаренный электрон, у атома бериллия все электроны спарены, его необходимо перевести в возбужденное состояние
в.	H: 1 s 1 Be*: [He]2 s 12 p 1		Если бы один атом водорода связывался с бериллием за счет 2 s -электрона бериллия, а другой – за счет 2 p -электрона бериллия, то молекула не обладала бы симметрией, что энергетически не оправдано, а связи Be–Н не были бы равноценными.
г.	H: 1 s 1 Be*: [He]2(sp)2		Следует предположить наличие sp -гибридизации
д.			Две sp -гибридные орбитали располагаются под углом 180°, молекула BeH2 – линейная
е.		Электроотицательности χН=2,1, χBe=1,5, следовательно связь ковалентная полярная, электронная плотность смещена к атому водорода, на нем появляется небольшой отрицательный заряд δ–. На атоме бериллия δ+. Так как центры тяжести положительного и отрицательного заряда совпадают (она симметрична), молекула не является диполем.

Аналогичные рассуждения помогут описать геометрию молекул с sp ²- и sp ³-гибридными орбиталями (табл.8).

Таблица 8. Геометрия молекул BF₃ и СН₄

Молекула	BF3	СН4
Тип гибридизации	sp 2	sp 3
Геометрия молекулы
Полярность молекулы	не является диполем	не является диполем

 

Задание 3. На основе метода ВС предположить пространственное строение молекулы H₂О и определить является ли молекула диполем. Возможно два решения, они представлены в таблицах 9 и 10.

Таблица 9. Определение геометрии молекулы H₂O (без гибридизации орбиталей)

	Электронная конфигурация	Графическое изображение орбиталей внешнего уровня	Примечания
а.			Центральный атом – кислород. Ему необходимо образовать две ϭ-связи с атомами водорода.
б.	H: 1 s 1 O: [He]2 s 22 p 4		У атома водорода есть неспаренный электрон, у атома кислорода два неспаренных электрона.
в.			Неспаренных электронов достаточно для образования двух ϭ-связей с атомами водорода.
г.			Гибридизацией можно пренебречь
д.
е.		Электроотицательности χН=2,1, χО=3,5, следовательно связь ковалентная полярная, электронная плотность смещена к атому кислорода, на нем появляется небольшой отрицательный заряд 2δ– На атоме водорода δ+. Так как центры тяжести положительного и отрицательного заряда не совпадают (она не симметрична), молекула является диполем.

 

Таким образом, молекула воду, должна иметь валентный угол около 90°. Однако угол между связями примерно 104°.

Это можно объяснить

1) отталкиванием, близко расположенных друг к другу водородных атомов.

2) Гибридизацией орбиталей (табл. 10).

Таблица 10. Определение геометрии молекулы H₂O (с учетом гибридизации орбиталей)

	Электронная конфигурация	Графическое изображение орбиталей внешнего уровня	Примечания
а.			Центральный атом – кислород. Ему необходимо образовать две ϭ-связи с атомами водорода.
б.	H: 1 s 1 O: [He]2 s 22 p 4		У атома водорода есть неспаренный электрон, у атома кислорода два неспаренных электрона.
в.			У атома водорода есть неспаренный электрон, у атома кислорода два неспаренных электрона.
г.			Угол в 104° позволяет предположить наличие sp 3-гибридизации.
д.			Две sp 3-гибридные орбитали располагаются под углом примерно 109°, молекула H2O по форме близка к тетраэдру, уменьшение валентного угла объясняется влиянием электронной не связывающей пары.
е.		Электроотицательности χН=2,1, χО=3,5, следовательно связь ковалентная полярная, электронная плотность смещена к атому кислорода, на нем появляется небольшой отрицательный заряд 2δ– На атоме водорода δ+. Так как центры тяжести положительного и отрицательного заряда не совпадают (она не симметрична), молекула является диполем.

Аналогичные рассуждения позволяют объяснить валентные углы в молекуле аммиака NH₃. Гибридизацию с участием неподеленных электронных пар, обычно предполагают только для орбиталей атомов элементов II периода. Валентные углы в молекулах H₂S = 92°, H₂Se = 91°, H₂Te = 89°. То же самое наблюдается в ряду NH₃, РH₃, AsH₃. При описании геометрии этих молекул, традиционно, или не прибегают к представлениям о гибридизации, или объясняют уменьшение тетраэдрического угла возрастающим влиянием неподеленной пары.