Вид гибридизации атома углерода в молекуле с2н2. Гибридизация атомных орбиталей

Гибридизация орбиталей и строение молекул этана, этилена и ацетилена

Дзенис А.В.,

учитель химии

ГБОУ «Школа 109»

СП в ФНКЦ ДГОИ

им. Д.Рогачева

«Когда мы будет знать ближе натуру

химической энергии, самый род

атомного движения, … тогда учение

о химическом строении падет, как

падали прежние химические теории.

Но, подобно большинству этих

теорий, оно падет не для того,

чтобы исчезнуть, а для того, чтобы

войти в измененном виде в круг новых и более широких воззрений…»

А.М.Бутлеров

Разработав теорию химического строения органических соединений и подтвердив ее правильность синтезом новых соединений, А.М.Бутлеров утверждал, что она должна и будет развиваться.

Эти слова оказались пророческими. Сегодня нам предстоит познакомиться с этими «новыми воззрениями» (по словам А.М.Бутлерова) - электронными представлениями в органической химии .

Строение атома углерода

Атом углерода

+ Е → Атом углерода в

возбужденном состоянии

2 неспаренных электрона,

валентность углерода = 2

Из курсов физики и химии вы уже знаете, что в начале 20 в было доказано, что атом образует сложную систему, в состав которой входит ядро и электроны.

- В чем заключается физический смысл порядкового номера элемента? Номера периода? Номера группы?

4 неспаренных электрона,

валентность углерода = 4

"гибридизация" –

смешение и выравнивание

электронных облаков .

sp 3 -гибридизация атома углерода

И

строение молекул метана и этана

sp 3 -гибридизация – смешение (комбинация) одной 2s- и трех 2p-орбиталей, с образованием четырех равноценных по форме и энергии sp 3 -гибридных орбиталей.

s - орбиталь

гибридизация

р z -орбиталь

Оси sp 3 -гибридных орбиталей направлены к вершинам правильного тетраэдра. Тетраэдрический угол между ними равен 109°28", что соответствует наименьшей энергии отталкивания электронов

р x -орбиталь

(4) sp 3 - гибридные

орбитали

р y -орбиталь

Модели с sp 3 метана (СН 4 )

Масштабная модель

Шаростержневая модель

sp 3 –гибридизация

Строение молекулы этана

С₂Н ₆ - этан

; угол α = 109˚28́;

длина С-С-связи = 0,154 нм.

σ-связь

вдоль оси , соединяющей ядра связываемых атомов (т.е. при осевом перекрывании АО).

sp 2 -гибридизация

атома углерода

И

строение молекулы этилена

sp 2 -гибридизация – смешение (комбинация) одной 2s- и двух 2p-орбиталей с образованием трех равноценных по форме и энергии sp 2 -гибридных орбиталей; одна p-орбиталь остается негибридной

(она располагается перпендикулярно плоскости гибридных орбиталей)

негибридная р-орбиталь

s - орбиталь

гибридизация

р z -орбиталь

sp 2 –гибридные

орбитали

(3) sp 2 - гибридные

орбитали

р x -орбиталь

Расположение

sp 2 -гибридных орбиталей в пространстве, а также негибридной р-орбитали

негибридная р-орбиталь

р y -орбиталь

Модели с sp 2 -углеродным атомом на примере этилена (С 2 Н 4 )

Между атомами углерода 1  - и 1  -связь.

π-Связь возникает при боковом перекрывании негибридных р -АО вне прямой, соединяющей ядра атомов.

π-Связь слабее σ-связи из-за менее полного перекрывания р -АО.

sp -гибридизация атома углерода

И

строение молекулы ацетилена

sp -гибридизация – смешение (комбинация) одной 2s- и одной 2p-орбитали с образованием двух равноценных по форме и энергии sp -гибридных орбиталей, а две p-орбитали остаются негибридными (они располагаются перпендикулярно плоскости гибридных орбиталей)

негибридные р-орбитали

s - орбиталь

гибридизация

(2) sp - гибридные

орбитали

р x -орбиталь

sp –гибридные орбитали

Две гибридные орбитали расположены на одной прямой линии под углом 180° друг к другу.

Оставшиеся две негибридные 2p-орбитали находятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

р z -орбиталь

негибридные р-орбитали

р y -орбиталь

Модели с sp -углеродным атомом на примере ацетилена (С 2 Н 2 )

Между атомами углерода 1  - и 2  -связи.

Гибридизация орбиталей

Концепция смешения разных, но близких по энергии орбиталей данного атома, с возникновением того же числа новых гибридных орбиталей, одинаковых по энергии и форме.

Обобщим и систематизируем изученное …

при взаимодействии одной 2s- и одной 2р-орбитали образуются две гибридные орбитали, расположенные на одной прямой линии. Остальные две 2р-орбитали, не участвующие в гибридизации, расположены во взаимно ┴ плоскостях.

взаимодействуют 1s и 3p орбитали; возникают 4 одинаковых электронных орбитали, направленные к вершинам тетраэдра; они имеют форму объемной восьмерки, одна из лопастей которой значительно больше другой

взаимодействуют 1s и 2p орбитали; возникают 3 одинаковых гибридные орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120 о друг к другу. Оставшаяся негибридная р-орбиталь перпендикулярна плоскости, в которой лежат гибридные орбитали.

sp ³ - гибридизация

sp ²- гибридизация

sp - гибридизация

Строение молекул этана, этилена и ацетилена

Тип гибридизации атомов углерода

sp –гибридизация

sp 3 –гибридизация

sp 2 –гибридизация

С ₂ Н ₂ - этин

(ацетилен)

С 2 Н 6

этан

С₂Н₄

этилен

Только σ-связи между атомами углерода

σ –

и

2 π-связи

σ –

и 1 π-связь

Только σ-связи между атомами углерода

σ – связь образуется при перекрывании АО вдоль оси , соединяющей ядра связываемых атомов

π-Связь возникает при боковом перекрывании негибридных р -АО вне прямой, соединяющей ядра атомов. π-Связь слабее σ-связи из-за менее полного перекрывания р -АО.

Спасибо

внимание

Источники информации

http://www.chemistry.ssu.samara.ru/chem1/index1.htm

http://ido.tsu.ru/schools/chem/data/res/org/uchpos/text/2_3_3.html

Ковалентная связь наиболее распространена в мире органических веществ, она характеризуется насыщаемостью, поляризуемостью и направленностью в пространстве.

Насыщаемость ковалентной связи состоит в том, что число общих электронных пар, которые способен образовать тот или иной атом, ограничено. Благодаря этому ковалентные соединения имеют строго определенный состав. Поэтому, например, существуют молекулы Н 2 , N 2 , СН 4 , но нет молекул Н 3 , N 4 , СН 5 .

Поляризуемость ковалентной связи заключается в способности молекул (и отдельных связей в них) изменять свою полярность под действием внешнего электрического поля - поляризоваться.

В результате поляризации неполярные молекулы могут стать полярными, а полярные - превратиться в еще более полярные вплоть до полного разрыва отдельных связей с образованием ионов:

Направленность ковалентной связи обусловлена тем, что р-, d- и f-облака определенным образом ориентированы в пространстве. Направленность ковалентной связи влияет на форму молекул веществ, их размеры, межатомные расстояния, валентный угол, т. е. на геометрию молекул.

Более полное представление о форме молекул органических и неорганических веществ можно составить на основе гипотезы о гибридизации атомных орбиталей. Она была предложена Л. Полингом (США) для объяснения установленного с помощью физических методов исследования веществ факта равноценности всех химических связей и симметричного расположения их относительно центра молекул СН 4 , BF 3 , ВеСl 2 . В образовании σ-связей в каждом случае от центрального атома (С, В, Be) должны были участвовать электроны, находящиеся в разных состояниях (s и р), поэтому они не могли быть равноценными. Теория оказалась неспособной объяснить факты, возникло противоречие, которое было разрешено с помощью новой гипотезы. Это один из примеров, показывающих путь развития познания человеком окружающего мира, возможность все более глубокого проникновения в сущность явлений.

С гипотезой гибридизации атомных орбиталей вы знакомились в курсе органической химии на примере атома углерода. Напомним об этом еще раз.

При образовании молекулы метана СН 4 атом углерода из основного состояния переходит в возбужденное:

Внешний электронный слой возбужденного атома углерода содержит один s- и три неспаренных р-электрона, которые и образуют четыре σ-связи с четырьмя s-электронами атомов водорода. При этом следует ожидать, что три связи С--Н, образованные за счет спаривания трех р-электронов атома углерода с тремя s-электронами трех атомов водорода (s-р σ-связь), должны бы отличаться от четвертой(s-s) связи прочностью, длиной, направленностью. Изучение электронной плотности в молекулах метана показывает, что все связи в его молекуле равноценны и направлены к вершинам тетраэдра (рис. 10). Согласно гипотезе о гибридизации атомных орбиталей четыре ковалентные связи молекулы метана образуются с участием не «чистых» s- и р-облаков атома углерода, а с участием так называемых гибридных, т. е. усредненных, равноценных электронных облаков.

Рис. 10. Шаростержневая модель молекулы метана

Согласно этой модели, число гибридных атомных орбиталей равно числу исходных «чистых» орбиталей. Соответствующие гибридные облака выгоднее по геометрической форме, чем s- и р-облака, их электронная плотность распределена иначе, что обеспечивает более полное перекрывание с s-облаками атомов водорода, чем было бы у «чистых» s- и р-облаков.

В молекуле метана и в других алканах, а также во всех молекулах органических соединений по месту одинарной связи атомы углерода находятся в состоянии sp 3 -гибридизации, т. е. у атома углерода гибридизации подверглись одно s- и три р-атомные облака и образовались четыре одинаковые гибридные sp 3 -атомные орбитали облака.

В результате перекрывания соответствующих четырех гибридных sр 3 -облаков атома углерода с s-облаками четырех атомов водорода образуется тетраэдрическая молекула метана с четырьмя одинаковыми σ-связями, расположенными под углом 109°28" (рис. 11).

Рис. 11.
Схемы sр 3 -гибридизации валентных электронных облаков (а) и образования связей в молекуле метана (б)

Этот тип гибридизации атомов и, следовательно, тетраэдрическое строение будут характеризовать также молекулы соединений аналога углерода - кремния: SiH 4 , SiCl 4 .

При образовании молекул воды и аммиака также происходит sр 3 -гибридизация валентных атомных орбиталей атомов кислорода и азота. Однако если у атома углерода все четыре гибридные sр 3 -облака заняты общими электронными парами, то у атома азота одно sр 3 -облако занято неподеленной электронной парой, а у атома кислорода ими заняты уже два sр 3 -облака (рис. 12).

Рис. 12.
Формы молекул аммиака, воды и фтороводорода

Наличие неподеленных электронных пар приводит к уменьшению углов связей (табл. 8) по сравнению с тетраэдрическими (109°28").

Таблица 8
Взаимосвязь числа неподеленных электронных пар и угла связи в молекулах

sр 3 -Гибридизация наблюдается не только у атомов в сложных веществах, но и у атомов в простых веществах. Например, у атомов такой аллотропной модификации углерода, как алмаз.

В молекулах некоторых соединений бора имеет место sp 2 -гибридизация валентных атомных орбиталей атома бора.

У атома бора в возбужденном состоянии в гибридизации участвуют одна s- и две р-орбитали, в результате чего образуются три sp 2 -гибридные орбитали, оси соответствующих гибридных облаков расположены в плоскости под углом 120° друг к другу (рис. 13).

Рис. 13.
Схемы 8р 2 -гибридизации и расположения sр 2 -облаков в пространстве

Поэтому молекулы таких соединений, например BF3, имеют форму плоского треугольника (рис. 14).

Рис. 14.
Строение молекулы BF3

В органических соединениях, как вы знаете, sp 2 -гибридизация характерна для атомов углерода в молекулах алкенов по месту двойной связи, чем и объясняется плоскостное строение этих частей молекул, а также молекул диенов и аренов. sp 2 -Гибридизация наблюдается также у атомов углерода и в такой аллотропной модификации углерода, как графит.

В молекулах некоторых соединений бериллия наблюдается sр-гибридизация валентных орбиталей атома бериллия в возбужденном состоянии.

Два гибридных облака ориентируются друг относительно друга под углом 180° (рис. 15), и поэтому молекула хлорида бериллия ВеСl 2 имеет линейную форму.

Рис. 15.
Схемы sp-гибридизации и расположения sp-облаков в пространстве

Аналогичный тип гибридизации атомных орбиталей существует у атомов углерода в алкинах - углеводородах ряда ацетилена - по месту тройной связи.

Такая гибридизация орбиталей характерна для атомов углерода в еще одной его аллотропной модификации - карбине:

В таблице 9 приведены виды геометрических конфигураций молекул, соответствующие некоторым типам гибридизации орбиталей центрального атома А с учетом влияния числа свободных (несвязывающих) электронных пар.

Таблица 9
Геометрические конфигурации молекул, соответствующие различным типам гибридизации внешних электронных орбиталей центрального атома

Вопросы и задания к § 7

1. В молекулах водородных соединений углерода, азота и кислорода, формулы которых СН 4 , NH 3 и Н 2 O, валентные орбитали центральных атомов неметаллов находятся в состоянии sр 3 -гибридизации, но валентные углы между связями разные - 109°28" 107°30" и 104°27" соответственно. Чем это можно объяснить?
2. Почему графит электропроводен, а алмаз нет?
3. Какую геометрическую форму будут иметь молекулы двух фторидов - бора и азота (BF 3 и NF 3 соответственно)? Дайте обоснованный ответ.
4. Молекула фторида кремния SiF 4 имеет тетраэдрическое строение, а молекула хлорида брома ВСl 3 - форму треугольника - плоскостное. Почему?

Гибридизацией называется гипотетический процесс смешения различного типа, но близких по энергии орбиталей данного атома с возникновением того же числа новых (гибридных 1) орбиталей, одинаковых по энергии и форме.

Гибридизация атомных орбиталей происходит при образовании ковалентных связей.

Гибридные орбитали имеют форму объёмной несимметричной восьмёрки, сильно вытянутой в одну сторону от атомного ядра: .

Такая форма обусловливает более сильное, чем в случае чистых атомных орбиталей, перекрывание гибридных орбиталей с орбиталями (чистых или гибридных) других атомов и приводит к образованию более прочных ковалентных связей. Поэтому энергия, затрачиваемая на гибридизацию атомных орбиталей, с избытком компенсируется выделением энергии за счёт образования более прочных ковалентных связей с участием гибридных орбиталей. Название гибридных орбиталей и тип гибридизации определяются числом и типом участвующих в гибридизации атомных орбиталей, например: sp -, sp 2 -, sp 3 -, sp 2 d - или sp 3 d 2 -гибридизация .

Направленность гибридных орбиталей, а следова­тельно, и геометрия молекулы зависят от типа гибридизации. На практике обычно решается обратная задача: вначале экспери­ментально устанавливается геометрия молекулы, после чего описывается тип и форма гибридных орбиталей, участвующих в её образовании.

sp -Гибридизация. Две гибридных sp - орбитали в результате взаимного отталкивания располагаются относительно атомного ядра таким образом, что угол между ними составляет 180° (рис. 7).

Рис. 7. Взаимное расположение в пространстве двух sp - гибридных орбиталей одного атома: а - поверхности, охватывающие области пространства, где вероятность пребывания электрона составляет 90 %; б - условное изображение.

В результате такого расположения гибридных орбиталей молекулы состава АХ 2 , где А является центральным атомом, имеют линейное строение , то есть ковалентные связи всех трёх атомов располагаются на одной прямой. Например, в состоянии sp - гибридизации находятся валентные орбитали атома бериллия в молекуле ВеС1 2 (рис. 8). Линейную конфигурацию вследствие sp - гибридизации валентных орбиталей атомов имеют также молекулы ВеН 2 , Ве(СН 3) 2 , ZnCl 2 , CO 2 , HC≡N и ряд других.

Рис. 8. Трёхатомная линейная молекула хлорида бериллия ВеС1 2 (в газообразном состоянии): 1 - 3р- орбиталь атома Cl; 2 - две sp - гибридные орбитали атома Be.

s р 2 -Гибридизация. Рассмотрим гибридизацию одной s - и двух р- орбиталей. В этом случае в результате линейной комбинации трёх орбиталей возникают три гибридные s р 2 -орбитали. Они располагаются в одной плоскости под углом 120° друг к другу (рис. 9). s р 2 -Гибридизация характерна для многих соединений бора, который, как показано выше, в возбуждённом состоянии имеет три неспаренных электрона: один s - и два р -электрона. При перекрывании s р 2 -орбиталей атома бора с орбиталями других атомов образуются три ковалентные связи, равноценные по длине и энергии. Молекулы, в которых валентные орбитали центрального атома находятся в состоянии s р 2 -гибридизации, имеют треугольную конфигурацию. Углы между ковалентными связями равны 120°. В состоянии s р 2 -гибридизации находятся валентные орбитали атомов бора в молекулах BF 3 , BC1 3 , атомов углерода и азота в анионах СО 3 2 - , NO 3 - .

Рис. 9. Взаимное расположение в пространстве трёх s р 2 -гибридных орбиталей.

s р 3 -Гибридизация. Очень большое распространение имеют вещества, в молекулах которых центральный атом содержит четыре s р 3 -орбитали, образующиеся в результате линейной комбина­ции одной s - и трёх р -орбиталей. Эти орбитали располагаются под углом 109˚28′ друг к другу и направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится атомное ядро (рис. 10 а).

Образование четырёх равноценных ковалентных связей за счёт перекрывания s р 3 -орбиталей с орбиталями других атомов характерно для атомов углерода и других элементов IVA-группы; это обуславлиает тетраэдрическую структуру молекул (СН 4 , CC1 4 , SiH 4 , SiF 4 , GeH 4 , GeBr 4 и др).

Рис. 10. Влияние несвязывающих электронных пар на геометрию молекул:

a – метана (несвязывающих электронных пар нет);

б – аммиака (одна несвязывающая электронная пара);

в – воды (две несвязывающие пары).

Неподелённые электронные пары гибридных орбита лей . Во всех рассмотренных примерах гибридные орбитали были "заселены" одиночными электронами. Однако нередки случаи, когда гибридная орбиталь "заселена" электронной парой. Это оказывает влияние на геометрию молекул. Поскольку несвязывающая электронная пара испытывает воздействие ядра только своего атома, а связывающая электронная пара находится под действием двух атомных ядер, несвязывающая электронная пара находится ближе к атомному ядру, чем связывающая. В результате этого несвязывающая электронная пара сильнее отталкивает связывающие электронные пары, чем те отталкивают друг друга. Графически для наглядности большую отталкивающую силу, действующую между несвязывающей и связывающими электронными парами, можно изобразить большей по объёму электронной орбиталью несвязывающей пары. Несвязывающая электронная пара имеется, например, у атома азота в молекуле аммиака (рис. 10 б ). В результате взаимодействия со связывающими электронными парами валентные углы Н-N-Н сокращаются до 107,78° по сравнению со 109,5°, характерными для правильного тетраэдра.

Ещё большее отталкивание испытывают связывающие электронные пары в молекуле воды, где у атома кислорода имеются две несвязывающие электронные пары. В результате чего валентный угол Н-О-Н в молекуле воды равен 104,5° (рис. 10 в ).

Если несвязывающая электронная пара в результате образования ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму превращается в связывающую, то силы отталкивания между этой связью и другими ковалентными связями в молекуле выравниваются; выравниваются и углы между этими связями. Это происходит, например, при образовании катиона аммония:

Участие в гибридизации d -орбиталей. Если энергия атомных d - орбиталей не очень сильно отличается от энергий s - и р- орбиталей, то они могут участвовать в гибридизации. Самым распространённым типом гибридизации с участием d - орбиталей является s р 3 d 2 - гибридизация, в результате которой образуются шесть равноценных по форме и энергии гибридных орбиталей (рис. 11 а ), расположенных под углом 90˚ друг к другу и направленных к вершинам октаэдра, в центре которого находится атомное ядро. Октаэдр (рис. 11 б ) – является правильным восьмигранником: все рёбра в нём равной длины, все грани – правильные треугольники.

Рис. 11. s р 3 d 2 - Гибридизация

Реже встречается s р 3 d - гибридизация с образованием пяти гибридных орбиталей (рис. 12 а ), направленных к вершинам тригональной бипирамиды (рис. 12 б ). Тригональная бипирамида образуется соеинением двух равнобедренных пирамид общим основанием - правильным треугольником. Полужирными штрихами на рис. 12 б показаны рёбра равной длины. Геометрически и энергетически s р 3 d - гибридные орбитали неравноценны: три «экваториальные» орбитали направлены к вершинам правильного треугольника, а две «аксиальные» - вверх и вниз перпендикулярно плоскости этого треугольника (рис. 12в ). Углы между «экваториальными» орбиталями равны 120°, как при s р 2 - гибридизации. Угол между «аксиальной» и любой из «экваториальных» орбиталей равны 90°. Соответственно этому ковалентные связи, которые образуются с участием «экваториальных» орбиталей отличаются по длине и энергии от связей, в образовании которых участвуют «аксиальные» орбитали. Например, в молекуле РС1 5 «аксиальные» связи имеют длину 214 пм, а «экваториальные» - 202 пм.

Рис. 12. s р 3 d - Гибридизация

Таким образом, рассматривая ковалентные связи как результат перекрывания атомных орбиталей, можно объяснить геометрию возникающих при этом молекул и ионов, которая зависит от числа и типа атомных орбиталей, участвующих в образовании связей. Концепцию гибридизации атомных орбиталей, необходимо понимать, что гибридизация представляет собой условный приём, позволяющий наглядно объяснить геометрию молекулы посредством комбинации АО.