Что понимают под термином гибридизация орбиталей

Химия. 11 класс

§ 14.1. Гибридизация атомных орбиталей

Термин гибрид вам известен из биологии и означает организм, полученный вследствие скрещивания. По аналогии с этим в теории химической связи вводят понятие гибридная орбиталь. Она рассматривается как результат своеобразного «скрещивания» разных по форме, но близких по энергии атомных орбиталей.

Теоретические представления о гибридизации атомных орбиталей построены на следующих положениях.

1. При образовании ковалентных σ-связей исходные валентные s— и p-орбитали приобретают одинаковую форму и энергию, превращаясь в гибридные орбитали.

Гибридизацией называют перераспределение электронной плотности орбиталей свободного атома при образовании молекулы с формированием гибридных орбиталей.

2. Гибридные орбитали похожи друг на друга и отличаются от исходных s— и p-орбиталей своей энергией и формой электронного облака. В результате гибридизации энергия гибридных атомных орбиталей выравнивается. Гибридные орбитали более вытянуты в пространстве в сторону соседних атомов. Это обеспечивает их более полное перекрывание с атомными орбиталями соседних атомов и, соответственно, более прочные связи с ними.

4. Число образующихся гибридных орбиталей равно суммарному числу исходных орбиталей, принимающих участие в гибридизации.

6. π-Связи образуются за счёт бокового перекрывания негибридных орбиталей.

7. Гибридные орбитали располагаются в пространстве на максимальном удалении друг от друга.

Различают несколько типов гибридизации. Каждому из них соответствует определённая ориентация гибридных орбиталей в пространстве (табл. 12.1).

Характеристики различных типов гибридизации и примеры молекул и сложных ионов, пространственное строение которых отвечает этим типам гибридизации, приведены в таблице 12.1.

* Указан идеальный валентный угол. В реальных структурах вследствие отталкивания неподелённых электронных пар валентный угол может отклоняться от идеального.

Рассмотрим, как можно использовать представление о гибридизации атомных орбиталей для предсказания и объяснения формы молекул неорганических веществ.

В молекуле аммиака азот является центральным атомом и образует три ковалентные связи с атомами водорода по обменному механизму. Если бы в образовании ковалентных связей участвовали исходные гантелеобразные р-орбитали азота, то угол между связями должен был составлять 90°. Объяснить действительный валентный угол в аммиаке можно, если использовать представление о гибридизации атомных орбиталей.

Однако, из-за того что на одной из гибридных орбиталей имеется неподелённая пара электронов, которая отталкивает орбитали со связывающими электронами, валентный угол уменьшается до 107.

В связи с тем что орбиталь с неподелённой парой электронов не входит в описание взаимного расположения атомов, принято говорить, что молекула аммиака имеет форму треугольной пирамиды с основанием в виде правильного треугольника из атомов Н—Н—Н и вершиной — атомом N.

При присоединении к молекуле аммиака катиона водорода искажение валентных углов устраняется.

Пример 2. В соответствии с экспериментальными данными валентный угол Н—O—Н в молекуле воды составляет 104,5°, то есть молекула воды имеет угловое строение. Используя представление о гибридных орбиталях, объясните пространственное строение молекулы воды.

Источник

Строение атома. Гибридизация орбиталей

Обычно в начале статьи пишут краткий план того, о чем пойдет речь в статье. Еще добавляют зачем и почему на нее нужно тратить время. Но здесь такого не будет, потому что я не уверен — нужна ли она вообще.

Но я расскажу историю. Вообще статья должна была быть про белок, как формируется первичная, вторичная структура, ну и так далее. И вот идет подготовка материала, а там довольно большую роль играет электроотрицательность. На самом деле не очень и большую, но все-таки роль у нее есть. И вот мне стало интересно, а как она формируется? Ты конечно знаешь, что она растет в периодической таблице слева направо и зависит от радиуса атома. Но почему? В общем-то эти вопросы привели меня к строению атома и закону Кулона. Поэтому сейчас мы устроим маленькое путешествие в химию и физику. Начнем со строения атома. А уже в следующей статье будем разбираться с электроотрицательностью.

Планетарная модель строения атома от Резерфорда

Это модель ключевая, потому что на ее основе строились все остальные. Вообще Резерфорд крутой мужик, который очень любил всякие опыты. Вот один из них:

Какие выводы делает Резерфорд из этого опыта? Он предполагает, что основная масса атома сосредоточена в его ядре — когда альфа-частицы попадают в него, то отскакивают в обратную сторону. Ядро очень маленькое и заряжено положительно, а вокруг него по орбитам летают отрицательно заряженные электроны. Он называет это планетарной моделью. Очень красиво, согласитесь? Мы живем в мире, который находится в солнечной системе. А атомы, из которых состоит все вокруг, имеют строение такой же системы.

Это все очень поэтично и красиво, но есть парочка проблем:

Были и еще проблемы, но это основные. Как же их решить?

Полуклассическая модель атома по Бору

Появляется второй крутой мужик. Может быть, он даже круче первого, потому что говорит такое — от чего волосы у физиков встают дыбом. Бор взял модель атома по Резерфорду и сказал что-то вроде: «Давайте предположим, что электроны движутся по орбитам, но никакую энергию они не излучают. Но если электрон перепрыгивает с одной орбиты на другую, то он выделяет энергию — фотоны. Это и есть спектр!»

Бор назвал состояние атома, когда его электроны движутся по свои орбитам, стационарным состоянием. При перепрыгивании одного электрона на другую орбиту атом становится возбужденным и может выделять энергию. Атом становится возбужденным не просто так — он поглощает какую-то энергию извне, она представляет собой фотон или фотоны.

Переведем Бора на язык физиков: “Вся ваша физика полная туфта. Атому на нее плевать, он живет по другим законам”. И все как бы в шоке, но больше всех Эйнштейн — он становится главным хейтером Бора. Но экспериментально модель Бора подтверждается.

Модель Бора чем-то похожа на дом. Представьте себе панельку. Если электрон упадет с 7 этажа на первый, то он выделит энергию — это и есть фотон. А вот если зарядить как следует атом, то электрон может прыгнуть с первого этажа на пятый. Чем больше зарядишь, тем выше прыгнет. Чем с большей высоты упадет, тем больше выделит энергии. Примерно так. Оказалось, что Бор был прав и дальше мы это увидим.

Резерфорд, кстати, сделал предположение, что ядро состоит из положительно заряженных протонов. Но Резерфорд и Бор еще не знали, от чего зависит количество электронов и протонов, но с этим разберутся попозже.

Современная модель атома

Ну а дальше началось самое интересное — физики взяли модель атома по Бору и добавили к ней своего добра. Так получилась современная модель атома. Конец! Ну или не совсем. Атом состоит из ядра и электронной оболочки. Начинаем с ядра.

Ядро атома

У атома есть ядро, которое состоит из протонов и нейтронов. Протоны заряжены положительно, а у нейтронов заряда нет. Количество протонов и электронов равно — зависит от порядкового номера в таблице Менделеева. Если это атом азота, то у него 7 протонов и 7 электронов. Нейтрон такому правилу не подчиняется — их может быть больше, а может и меньше. Протон и нейтрон весят в примерно 1800 раз больше, чем электрон. Поэтому основная масса атома находится в ядре.

На самом деле протон и нейтрон состоят из других частиц, но не будем слишком глубоко копать. Можешь почитать, если интересно.

Электронная оболочка

Электронная оболочка — это все электроны атома. Она состоит из слоев, на которых располагается какая-то часть электронов.

Каждый слой состоит из орбиталей. Заметили? Не орбит, а орбиталей. Орбита — это траектория движения тела, на которой в какой-то момент времени можно его встретить. Помните круговые поливалки в деревне? Вода из них движется по определенной траектории. Можно встать и подождать пока тебя польют в жаркий день. Орбиталь — это другое дело, на ней электрон проводит 90 процентов времени, но как он там движется — одному ему известно. Поэтому можно стоять очень долго, но так и не дождаться пока тебя польют. Пример не очень, согласен. Лучше бы привел Луну или какую-нибудь планету, но вы поняли…

Есть 4 вида орбиталей: s, p, d и f. S- это сфера, p — бесконечность или гантелька, d и f сложнее. Я их рисовать не буду, потому что они нас не интересуют. P-орбиталей всегда 3 — p_x, p_y, p_z.

Слои электронной оболочки

Теперь подробнее про слои. Первый слой состоит только из одной орбитали — s. Второй слой: одна s и три p орбиталей. Третий слой — одна s, три p и пять d орбиталей. Ну а на четвертом за 5d орбиталями добавятся еще 7f. Количество слоев зависит от количества электронов, а значит от порядкового номера атома.

Тут есть определенные правила:

Добавим к атому лития, который я показывал до этого, орбитали и получим что-то такое.

Можно еще попробовать свести орбитали в один рисунок, смотрите.

Электронная формула и орбитали атома кислорода

Химические связи чаще всего образуются за счет неспаренных электронов, но подробнее об этом поговорим в следующей статье. А сейчас нас интересует углерод и гибридизация его орбиталей.

Гибридизация орбиталей

Сначала посмотрим на электронную формулу углерода и вспомним о Боре. В стационарном состоянии у углерода всего два электрона на 2p-орбиталях. Однако, если атом углерода поглотит энергию фотона, то электрон с 2s-орбитали может перейти на 2p-орбиталь — атом углерода становится возбужденным. В таком состоянии он может образовать 4 связи, т.к. у него 4 неспаренных электрона.

И тут встал вопрос. Атом углерода в возбужденном состоянии может образовать четыре связи, так как у него четыре неспаренных электрона. Но энергия связей будет разной, потому что эти электроны располагаются на разных орбиталях (у p орбитали энергия побольше). Это не очень хорошо сказывается на стабильности системы. Как выйти из этого положения? Атом придумал интересную штуку — он изменил форму и размеры орбиталей. Это и есть гибридизация.

У азота есть одна неподеленная электронная пара на втором энергетическом слое, а именно на 2s-орбитали — там находится два электрона и третий туда уже не засунуть. Но азот может отдать протону водорода один электрон по донорно-акцептерному механизму и образовать связь. Так возникает ион аммония. Такая же тема с водой, но кислород не может отдать по электрону от каждой электронной пары — только с одной! Так образуется ион гидроксония.

sp 2 и sp-гибридизация

Куда пропала p-связь? Ну ладно, держите формулу этилена со всеми связями.

На рисунке видно, что p-орбитали без гибридизации находятся над и под плоскостью, они образуют сигма-связь — эта связь более жесткая, чем пи-связь. Поэтому вращение вокруг нее ограничено.

sp-гибридизацию нарисовать не смогу, сорян. Но смысл вы поняли: без изменений останутся две p-орбитали, а две sp-орбитали будут похожи на палочку — угол между ними будет 180 градусов. Одна p-орбиталь будет идти над плоскостью, а другая смотреть в лицо. Надеюсь, что у тебя получилось представить. Едем дальше.

Атомный остов

Электронный слой бывает завершенным или незавершенным:

Заряд ядра атома (количество протонов) + заряд завершенных слоев (количество электронов) = атомный остов. Картинка….

У кислорода заряд атомного остова больше, чем у натрия. Это нам понадобится, когда будем считать электроотрицательность.

Фух, со строением атома закончили. Поздравляю всех, кто дочитал до этого момента. Дальше можно переходить к электроотрицательности, но это уже в следующей статье.

Хочешь задать вопрос, похвалить или наговорить гадостей? Тогда залетай в телегу. Там ты сможешь предложить новый формат или разбор темы. А если серьёзно, то эти статьи пишутся для вас, поэтому мне важна обратная связь.

Источник

Гибридизация атомных орбиталей: понятие и основные виды

Одна из задач химии – это изучение строения вещества, в том числе выяснение механизма образования различных соединений из простых веществ, образуемых атомами одного химического элемента. Особенности взаимодействия атомов, точнее, их разноименно заряженных компонентов – электронных оболочек и ядер, – описываются как различные типы химической связи. Так, вещества, имеющие молекулярное строение, образуются посредством ковалентной связи, для описания которой в 1931 году американским химиком Л. Полингом была предложена модель гибридизации атомных орбиталей.

Понятие о ковалентной связи

Вам будет интересно: Самые рейтинговые медицинские университеты в Москве

В тех случаях, когда в процессе взаимодействия происходит образование общей для двух атомов пары валентных электронных облаков, говорят о ковалентной связи. В результате ее возникновения формируется мельчайшая частица простого или сложного вещества – молекула.

Одной из особенностей ковалентной связи является ее направленность – следствие сложной формы электронных орбиталей p, d и f, которые, не обладая сферической симметрией, имеют определенную пространственную ориентацию. Еще одна важная особенность данного типа химической связи – насыщаемость, обусловленная ограниченным количеством внешних – валентных – облаков в атоме. Именно поэтому существование молекулы, например, H2O, возможно, а H5O – нет.

Типы ковалентной связи

Вам будет интересно: Системы единиц физических величин: понятие

Образование общих электронных пар может происходить различными способами. В механизме образования ковалентной связи важную роль играет характер перекрытия облаков и пространственная симметрия результирующего облака. По данному критерию Л. Полинг предложил различать следующие типы:

Эти пространственные характеристики имеют большое значение постольку, поскольку они коррелируют с энергетическими параметрами ковалентной связи.

Особенности многоатомных молекул

Концепция гибридизации атомных орбиталей была введена Полингом для объяснения одной из особенностей ковалентных связей в многоатомных молекулах. Известно, что связи, образуемые центральным атомом в таких молекулах, оказываются одинаковыми по пространственным и энергетическим характеристикам. Это происходит вне зависимости от того, какие орбитали (s, p или d) участвуют в формировании общей электронной пары.

Очень удобным и наглядным примером для иллюстрации этого явления служит атом углерода. При вступлении в химическую связь атом в возбужденном состоянии имеет 4 валентных орбитали: 2s, 2px, 2py и 2pz. Три последних отличаются от орбитали 2s по энергии и форме. Тем не менее в молекуле, например, метана CH4 все четыре связи совершенно равноценны и имеют валентные углы 109,5° (в то время как p-орбитали расположены под углами 90°). В других соединениях углерода встречаются валентные углы 120° и 180°; в молекулах, содержащих азот (аммиак NH3) и кислород (вода H2O) эти углы составляют 107,5° и 104,5°. Возникновение подобных валентных углов также потребовало объяснения.

Суть явления

Идея гибридизации состоит в образовании усредненных орбиталей путем перекрывания электронных облаков разного типа с близкими значениями энергии – s, p, иногда d. Количество результирующих – гибридных – орбиталей соответствует числу перекрывающихся облаков. Поскольку орбиталь – это волновая функция, определяющая вероятность нахождения электрона в той или иной точке атома, гибридная орбиталь представляет собой наложение волновых функций, происходящее в результате электронных переходов при возбуждении атома. Оно приводит к возникновению равнозначных волновых функций, различающихся только направленностью.

Гибридные орбитали эквивалентны по энергии и имеют одинаковую форму в виде объемной восьмерки, имеющей сильную асимметрию относительно ядра. На гибридизацию затрачивается меньше энергии, чем выделяется при образовании прочной ковалентной связи с гибридными орбиталями, поэтому такой процесс энергетически выгоден, то есть наиболее вероятен.

Основные виды гибридизации орбиталей и геометрия молекул

Возможны различные варианты перекрывания (смешения) внешних электронных облаков в атоме. Самыми распространенными являются следующие виды наложения орбиталей:

Существуют и более сложные варианты гибридизации атомных орбиталей: sp3d, sp3d2 и другие.

Роль модели гибридизации

Концепция Полинга дает хорошее качественное описание строения молекул. Она удобна и наглядна, успешно объясняет некоторые особенности ковалентных соединений, такие как величина валентных углов или выравнивание длины химической связи. Однако количественная сторона модели не может считаться удовлетворительной, поскольку не позволяет делать многие важные предсказания, касающиеся физических эффектов, связанных с особенностями строения молекул, – например, молекулярных фотоэлектронных спектров. Сам автор концепции гибридизации уже в начале 1950-х годов отмечал ее недостатки.

Тем не менее в становлении современных представлений о строении вещества модель гибридизации атомных орбиталей сыграла большую роль. На основе ее были разработаны более адекватные концепции, например, теория отталкивания электронных пар. Поэтому, безусловно, модель гибридизации явилась важным этапом в развитии теоретической химии, а при описании некоторых аспектов электронной структуры молекул она вполне применима и в настоящее время.

Источник

О строении предельных углеводородов

Особенности образования молекул предельных углеводородов (алканов) объясняются теорией гибридизации. Гомологический ряд метана, отвечающий общей формуле СnН2n+2, характеризуется sp3 гибридизацией.

Углерод в нормальном состоянии имеет следующую электронную конфигурацию: 1s22s22p2 Количество электронов, расположенных на внешнем энергетическом уровне, равно четырем. При сообщении атому дополнительной энергии (если возбудить атом) происходит перекидывание электрона с 2s на 2p подуровень.

Атом углерода (при нагревании) переходит в возбужденное состояние. Схема принимает следующий вид:1s22s12p3. Он имеет четыре неспаренных («свободных») электрона, каждый из которых принимает участие в гибридизации. Образующиеся четыре гибридных облака отталкиваются в пространстве. Перекрывание характеризуется образованием между ними валентного угла 109 ° 28 ‘. Вершины гибридных облаков перекрываются с s — облаками атомов водорода, образуя одинарную (некратную) связь.

Метан и его гомологи имеют тетраэдрическое пространственное строение (молекулярная кристаллическая решетка). В молекуле алканов присутствуют только одинарные химические связи. Это отражается на химических способностях представителей всей группы органических соединений. Для парафинов не характерны реакции присоединения. Они способны замещать один или более атомов водорода в рамках радикального галогенирования (условием взаимодействия является повышенная температура либо квант света).

В неорганической химии примерами молекул, имеющих тетраэдрическое пространственное строение, являются: аммиак, вода, фосфин.

Отличительные черты строения алкенов

Гомологический ряд этилена, имеющий общую формулу СnН2n, характеризуется sp гибридизацией атома углерода. Алкены имеют треугольное строение, валентный угол составляет 120 °.

Атом углерода, у которого после нагревания, из-за перехода электрона с 2s на 2p энергетический подуровень, в процессе образования связи принимают участие 1s и 2p электроны. Они становятся гибридными, образуя в пространстве треугольник. Вершины полученных гибридных облаков перекрываются с негибридными атомами водорода, образуя одинарную связь. Sp2-гибридизация характерна для представителей всего ряда этилена.

Гомологический ряд алкенов начинается с этилена (этена), имеющего два атома углерода. У каждого из них остается по одному негибридному атому углерода, которые перекрываются друг с другом. Отличительной чертой этого класса органических соединений является наличие не только простых «сигма» связей, но и присутствие двойной «пи» связи.

Именно она объясняет специфические свойства представителей этого гомологического ряда. В отличие от насыщенных углеводородов ряда метана, этилен и его гомологи вступают в реакции электрофильного присоединения. В частности, выделяют следующие качественные реакции на двойную связь:

Среди примеров неорганических веществ, имеющих этот тип гибридизации, приведем: хлорид алюминия (AlCl3), фторид бора (BF 3).

Соединения с тройной связью

Ацетилен является первым представителем этого гомологического ряда. В образовании его молекулы принимают участие два гибридных облака: s и p. У каждого атома углерода остается по два негибридных электрона, которые перекрываются по Оу и Оz, образуя две двойных связи. Геометрия алкинов характеризуется линейной структурой.

Валентный угол составляет 180°. Общая формула представителей этого класса углеводородов — СnН2n-2. Помимо реакций присоединения, характерных и для этиленового ряда, несимметричные алкины вступают в реакцию замещения с гидроксидом диаминсеребра. Продуктом взаимодействия является соль.

Образование ароматических веществ

Представители этого класса имеют общую формулу СnН2n-6. Их особенностью является наличие в молекуле единого электронного облака, образуемого 6 негибридными облаками. Бензол считается родоначальником гомологического ряда ароматических углеводородов. Замкнутая формула молекул представителей этого класса объясняется наличием sp2 гибридизации каждого из шести углеродных атомов.

Вариант расчета геометрии молекулы

Не все знают, как определить тип гибридизации в молекулах неорганических соединений. Для этого можно воспользоваться удобным и простым способом. В качестве первоначальной информации для него используют:

Этот способ основывается на методе валентных связей. Он является одним из наиболее простых вариантов предсказания структуры веществ в химии.

Выделяют типичные положения этого способа:

Суть использования метода Гиллеспи легко пояснить на примере. Главный атом обозначается буквой А. Элемент, связанный с ним, отмечают буквой В. Электронную пару обозначают буквой Е. Если общее количество партнеров основного атома по образованию химической связи — n, а количество неразделенных пар электронов — m.

В таком случае молекулу в развернутом виде относительно центрального атома можно записать как ABnEm (если он многовалентен). При суммировании n и m можно определить первоначальную модель геометрии частицы. Отбрасывая неразделенные электронные пары, можно выделить особенности пространственного строения частицы.

Для больших органических и неорганических молекул этот метод рассматривается по частям. Существуют определенные дополнения к методу Гиллеспи:

Они дают возможность уточнять геометрию молекул, учитывать возможные отклонения от валентных углов. Пример использования этого метода на нескольких конкретных соединениях представлен ниже.

В частности, для воды общая формула будет иметь вид АВ2Е2. m = (6−2*1)\2=2. Следовательно, исходная молекула уголковая, модель — тетраэдр, валентный угол составляет 109 ° 28 ‘. Для NH3 (аммиака) m = (5−3*1)\2=3, модель имеет тетраэдрическое строение, молекула является тригональной пирамидой, угол составляет 109 ° 28 ‘.

Важные моменты в строении вещества

В химии и биологии важно учитывать геометрическое строение соединений, чтобы предсказать их физические и химические свойства, а также особенности воздействия на организм. Гибридизация атомных орбиталей, метод валентных связей, теория Гиллеспи позволяют предугадывать геометрию молекул, учитывать строение при рассмотрении химических свойств соединений, возможных областей их применения. Для определения типа гибридизации и формы частицы составляют электронную формулу основного атома в требуемой степени окисления.

Источник

• ← Symantec endpoint protection что это
• Samsung кастомизированная версия что это →