Учебник для 11 класса

ХИМИЯ

§ 7. Гибридизация атомных орбиталей и геометрия молекул

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 Н₂, N₂, СН₄, но нет молекул Н₃, N₄, СН₅.

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 СН₄, BF₃, ВеСl₂. 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 СН₄ 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 sp³-гибридизации, т. е. у атома углерода гибридизации подверглись одно s- и три р-атомные облака и образовались четыре одинаковые гибридные sp³-атомные орбитали облака.

В результате перекрывания соответствующих четырех гибридных sр³-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 sр³-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: SiH₄, SiCl₄.

При образовании молекул воды и аммиака также происходит sр³-гибридизация валентных атомных орбиталей атомов кислорода и азота. Однако если у атома углерода все четыре гибридные sр³-облака заняты общими электронными парами, то у атома азота одно sр³-облако занято неподеленной электронной парой, а у атома кислорода ими заняты уже два sр³-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

sр³-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 sp²-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 sp²-гибридные орбитали, оси соответствующих гибридных облаков расположены в плоскости под углом 120° друг к другу (рис. 13).

Рис. 13.
Схемы 8р²-гибридизации и расположения sр²-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, sp²-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. sp²-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 ВеСl₂ 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 СН₄, NH₃ и Н₂O, валентные орбитали центральных атомов неметаллов находятся в состоянии sр³-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 (BF₃ и NF₃ соответственно)? Дайте обоснованный ответ.
4. Молекула фторида кремния SiF₄ имеет тетраэдрическое строение, а молекула хлорида брома ВСl₃ — форму треугольника — плоскостное. Почему?