В образовании ковалентных связей принимают участие электроны, орбитали которых могут иметь разную форму и разную ориентацию в пространстве. Но во многих соединениях химические связи оказываются равноценными. Например, экспериментально установлено, что в молекулах СН4, ССl4 и в ионе NH4+ центральные атомы (С и N) связаны с атомами водорода или хлора четырьмя равноценными связями, углы между которыми составляют 109,50 (точнее, 109028`). Для объяснения этого явления Полинг (1931) предложил ввести понятие «гибридизация».
Гибридизация – это процесс перераспределения электронной плотности у близких по энергии орбиталей, вследствие чего они становятся равноценными.
Теория гибридизации сводится к таким основным положениям:
В результате гибридизации изменяются формы и энергии орбиталей и возникают новые, гибридизованные, орбитали, которые имеют форму неправильной восьмерки.
Число гибридизованных орбиталей равно числу исходных орбиталей.
В гибридизации могут принимать участие орбитали, которые не сильно отличаются своими энергиями, например, s-, р- и d-орбитали внешнего энергетического уровня.
Гибридизованные орбитали образуют более прочные связи.
Гибридизованные орбитали располагаются в пространстве на максимальном расстоянии друг от друга.
Тип гибридизации определяется типом и количеством исходных орбиталей; он определяет размер валентного угла, а также пространственную конфигурацию молекул.
Рассмотрим некоторые типы гибридизации.
1 sp-Гибридизация. Комбинация одной s- и одной р-орбиталей дает две sp-гибридные орбитали, размещенные симметрично под углом 1800 (рис. 4.11). Связи, образованные этими орбиталями, также располагаются под углом 1800, что обуславливает линейную форму молекулы. Такой тип гибридизации характерен для галогенидов элементов второй группы (Be, Zn, Cd, Hg), атомы которых в возбужденном состоянии имеют неспаренные s- и р-электроны.
Рисунок 4.11 – Схема sp-гибридизации
2 sp2-Гибридизация. Комбинация одной s- и двух р-орбиталей приводит к образованию sp2-гибридных орбиталей (рис. 4.12), размещенных под углом 1200, поэтому молекула приобретает форму правильного плоского треугольника.
Этот тип гибридизации наиболее характерен для молекул с участием р-элементов третьей группы, атомы которых в возбужденном состоянии имеют внешнюю электронную структуру ns1np2. Так, в молекулах AlCl3 и BCl3 осуществляются ковалентные связи, образованные sp2-гибридизованными орбиталями.
Рисунок 4.12 – Схема sp2-гибридизации
3 sp3-Гибридизация. Комбинация одной s- и трех р-орбиталей приводит к sp3-гибридизации (рис. 4.13), при которой четыре гибридные орбитали ориентированы в пространстве симметрично и направлены к четырем вершинам тетраэдра, т.е. под углом 109028`. Примерами соединений, в которых валентные орбитали центрального атома находятся в sp3-гибридном состоянии, определяющем тетраэдрическую форму частиц, могут служить ионы BН4–, BF4–, PO43–, SO42–, FeCl4–.
Тетраэдрическое расположение связей определяет тетраэдрическую форму молекул, что характерно для насыщенных соединений четырехвалентного углерода, например, C2H6,
Рисунок 4.13 – Схема sp3-гибридизации
СCl4, СН4. Например, в молекуле метана СН4 атом углерода, у которого электронная конфигурация 2s22p2 при возбуждении переходит в состояние 2s12p3, подвергается sp3-гибридизации. Каждая из четырех гибридизованных орбиталей содержит по одному электрону и образует четыре равноценные связи при перекрывании с 1s-орбиталями четырех атомов Н. Это способствует симметричному размещению электронных орбиталей в вершинах тетраэдра, в центре которого находится атом С* (рис. 4.14).
Как изменяется энергия системы в результате гибридизации:
а) не изменяется; б) уменьшается; в) резко увеличивается; г) плавно увеличивается?
Наличие четырех эквивалентных связей С–Н в молекуле СН4 объясняется тем, что ...:
а) происходит взаимное отталкивание четырех электронных пар; б) атом С находится в sp3-гибридном состоянии; в) углерод в СН4 четырехвалентен; г) атом С имеет два s- и два р-валентных электрона.
Какие из перечисленных орбиталей могут принимать участие в гибридизации:
а) 2s и 3d; б) 3p и 4p; в) 3d и 4s; г) 3s и 4s?
В каком соединении центральный атом находится в состоянии sp2-гибридизации:
а) NH3; б) AlCl3; в) BF3; г) NaCl?
Укажите конфигурацию молекулы при sp3-гибридизации центрального атома:
0=С=0,
