Гибридизация электронных орбиталей и геометрия молекул

В 1930 г. Слейтером и Л. Полингом была развита теория образования ковалентной связи за счет перекрывания электронных орбиталей – метод валентных связей. В основе этого метода лежит метод гибридизации, который описывает образование молекул веществ за счет «смешивания» гибридных орбиталей («смешиваются» не электроны, а орбитали).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Гибридизация – смешение орбиталей и выравнивание их по форме и энергии. Так, при смешении s- и p- орбиталей получаем тип гибридизации sp, s- и 2-х p-орбиталей – sp², s- и 3-х p-орбиталей – sp³. Существуют и другие типы гибридизации, например, sp³d, sp³d² и более сложные.

Определение типа гибридизации молекул с ковалентной связью

Определить тип гибридизации можно только для молекул с ковалентной связью типа АВ_n, где n больше или равно двум, А – центральный атом, В – лиганд. В гибридизацию вступают только валентные орбитали центрального атома.

Определим тип гибридизации на примере молекулы BeH₂.

Первоначально записываем электронные конфигурации центрального атома и лиганда, рисуем электронно-графические формулы.

₄Be 1s²2s²

₁H1s¹

Атом бериллия (центральный атом) имеет вакантные 2p-орбитали, поэтому, чтобы принять по одному электрону от каждого атома водорода (лиганд) для образования молекулы BeH₂ ему необходимо перейти в возбужденное состояние:

Образование молекулы BeH₂ происходит за счет перекрывания валентных орбиталей атома Be

^* красным цветом обозначены электроны водорода, черным – бериллия.

Тип гибридизации определяют по тому, какие орбитали перекрылись, т.о., молекула BeH₂ находитс в sp – гибридизации.

Помимо молекул состава AB_n, методом валентных связей можно определить тип гибридизации молекул с кратными связями. Рассмотрим на примере молекулы этилена C₂H₄. В молекуле этилена кратная двойная связь, которая образована $\tau-$ и $\pi$ –связями. Чтобы определить гибридизацию, записываем электронные конфигурации и рисуем электронно-графические формулы атомов, входящих в состав молекулы:

₆C 2s²2s²2p²

₁H1s¹

У атома углерода имеется еще одна вакантная p-орбиталь, следовательно, чтобы принять 4 атома водорода ему необходимо перейти в возбужденное состояние:

Одна p-орбиталь необходима для образования $\pi$ -связи (выделена красным цветом), поскольку $\pi$ -связь образуется за счет перекрывания «чистых» (негибридных) p — орбиталей. Остальные валентные орбитали идут в гибридизацию. Таким образом этилен находится в гибридизации sp².

Определение геометрической структуры молекул

Геометрическую структуру молекул, а также катионов и анионов состава АВ_n можно с помощью метода Гиллеспи. В основе этого метода – валентные пары электронов. На геометрическую структуру оказывают влияние не только электроны, участвующие в образовании химической связи, но и неподеленные электронные пары. Каждую неподеленную пару электронов в методе Гиллеспи обозначают Е, центральный атом – А, лиганд – В.

Если неподеленных электронных пар нет, то состав молекул может быть АВ₂ (линейная структура молекулы), АВ₃ (структура плоского треугольника), АВ4 (тетраэдрическая структура), АВ₅ (структура тригональной бипирамиды) и АВ₆ (октаэдрическая структура). От базисных структур могут быть получены производные, если вместо лиганда появляется неподеленная электронная пара. Например: АВ₃Е (пирамидальная структура), АВ₂Е₂ (угловая структура молекулы).

Чтобы определить геометрическую структуру (строение ) молекулы необходимо определить состав частицы, для чего вычисляют количество неподеленных лектронных пар (НЕП):

НЕП = (общее число валентных электронов – число электронов, пошедших на образование связи с лигандами) / 2

На связь с H, Cl, Br, I, F уходит по 1-му электрону от А, на связь с O – по 2 электрона, а на связь с N – по 3 электрона от центрального атома.

Рассмотрим на примере молекулы BCl₃. Центральный атом – B.

₅B 1s²2s²2p¹

НЕП = (3-3)/2 = 0, следовательно неподеленных электронных пар нет и молекула имеет структуру АВ₃ – плоский треугольник.

Подробно геометрическое строение молекул разного состава представлено в табл. 1.

Таблица 1. Пространственное строение молекул

Формула молекулы	Тип гибридизации	НЕП	Тип молекулы	Геометрия молекулы	Пример
АВ₂	sp	0	АВ₂	линейная	BeH₂
АВ₃	sp²	0	АВ₃	треугольная	BCl₃
АВ₃	sp²	1	АВ₂Е	угловая	GeF₂
АВ₄	sp³	0	АВ₄	тетраэдр	CH₄
		1	АВ₃Е	тригональная пирамида	NH₃
		2	АВ₂Е₂	угловая	H₂O
АВ₅	sp³d	0	АВ₅	тригональная бипирамида	PF₅
		1	АВ₄Е	дисфеноид	SCl₄
		2	АВ₃Е₂	Т-образная	ICl₃
		3	АВ₂Е₃	линейная	XeF₂
АВ₆	sp³d²	0	АВ₆	октаэдр	SF₆
		1	АВ₅Е	квадратная пирамида	IF₅
		2	АВ₄Е₂	квадрат	XeF₄

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Определите с помощью метода валентных связей тип гибридизации молекулы метана (CH₄) и его геометрическую структуру по методу Гиллеспи

Решение

₆С 2s²2s²2p²

₁H1s¹

Чтобы принять 4 лиганда атому углерода необходимо перейти в возбужденное состояние, следовательно электроны 2s-орбитали распарятся и один из них перейдет на p-орбиталь – в гибридизации будут участвовать все валентные орбитали атома углерода. Тип гибридизации sp³.

Рассчитываем НЕП : (4 – 4)/2=0, следовательно метан имеет тетраэдрическую структуру.

Ответ

Тип гибридизации sp $^{3}$ . Метан имеет тетраэдрическую структуру.

ПРИМЕР 2

Задание

Определите с помощью метода валентных связей тип гибридизации молекулы BCl₃ и его геометрическую структуру по методу Гиллеспи

Решение

₅B 1s²2s²2p¹

₁₇Сl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵

Атому бора необходимо перейти в возбужденное состояние, чтобы принять 3 атома хлора:

Тип гибридизации sp².

Рассчитываем НЕП : (3 – 3)/2=0, следовательно молекула BCl₃имеет структуру плоского треугольника.

Ответ

Тип гибридизации sp $^{2}$ . Молекула BCl₃имеет структуру плоского треугольника.

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Советуем прочитать:

Гибридизация электронных орбиталей и геометрия молекул

Определение типа гибридизации молекул с ковалентной связью

Определение геометрической структуры молекул

Примеры решения задач