Продолжение. Начало см. в № 15, 16/2004

Урок 5. Гибридизация
атомных орбиталей углерода

Ковалентная химическая связь образуется при помощи общих связывающих электронных пар по типу:

Образовывать химическую связь, т.е. создавать общую электронную пару с «чужим» электроном от другого атома, могут только неспаренные электроны. Неспаренные электроны при записи электронных формул находятся по одному в клетке-орбитали.
Атомная орбиталь – это функция, которая описывает плотность электронного облака в каждой точке пространства вокруг ядра атома. Электронное облако – это область пространства, в которой с высокой вероятностью может быть обнаружен электрон.
Для согласования электронного строения атома углерода и валентности этого элемента пользуются представлениями о возбуждении атома углерода. В нормальном (невозбужденном) состоянии атом углерода имеет два неспаренных 2р 2 -электрона. В возбужденном состоянии (при поглощении энергии) один из 2s 2 -электронов может переходить на свободную р -орбиталь. Тогда в атоме углерода появляется четыре неспаренных электрона:

Напомним, что в электронной формуле атома (например, для углерода 6 С – 1s 2 2s 2 2p 2) большие цифры перед буквами – 1, 2 – обозначают номер энергетического уровня. Буквы s и р указывают форму электронного облака (орбитали), а цифры справа над буквами говорят о числе электронов на данной орбитали. Все s -орбитали сферические:

На втором энергетическом уровне кроме 2s -орбитали имеются три 2р -орбитали. Эти 2р -орбитали имеют эллипсоидную форму, похожую на гантели, и ориентированы в пространстве под углом 90° друг к другу. 2р -Орбитали обозначают 2р х , 2р y и 2р z в соответствии с осями, вдоль которых эти орбитали расположены.

При образовании химических связей электронные орбитали приобретают одинаковую форму. Так, в предельных углеводородах смешиваются одна s -орбиталь и три р -орбитали атома углерода с образованием четырех одинаковых (гибридных) sр 3 -орбиталей:

Это – sр 3 -гибридизация.
Гибридизация – выравнивание (смешивание) атомных орбиталей (s и р ) с образованием новых атомных орбиталей, называемых гибридными орбиталями .

Гибридные орбитали имеют асимметричную форму, вытянутую в сторону присоединяемого атома. Электронные облака взаимно отталкиваются и располагаются в пространстве максимально далеко друг от друга. При этом оси четырех sр 3-гибридных орбиталей оказываются направленными к вершинам тетраэдра (правильной треугольной пирамиды).
Соответственно углы между этими орбиталями – тетраэдрические, равные 109°28".
Вершины электронных орбиталей могут перекрываться с орбиталями других атомов. Если электронные облака перекрываются по линии, соединяющий центры атомов, то такую ковалентную связь называют сигма()-связью . Например, в молекуле этана С 2 Н 6 химическая связь образуется между двумя атомами углерода перекрыванием двух гибридных орбиталей. Это -связь. Кроме того, каждый из атомов углерода своими тремя sр 3 -орбиталями перекрывается с s -орбиталями трех атомов водорода, образуя три -связи.

Всего для атома углерода возможны три валентных состояния с различным типом гибридизации. Кроме sр 3 -гибридизации существует sр 2 - и sр -гибридизация.
sр 2 -Гибридизация – смешивание одной s - и двух р -орбиталей. В результате образуются три гибридные sр 2 -орбитали. Эти sр 2 -орбитали расположены в одной плоскости (с осями х , у ) и направлены к вершинам треугольника с углом между орбиталями 120°. Негибридизованная
р -орбиталь перпендикулярна к плоскости трех гибридных sр 2 -орбиталей (ориентирована вдоль оси z ). Верхняя половина р -орбитали находится над плоскостью, нижняя половина – под плоскостью.
Тип sр 2 -гибридизации углерода бывает у соединений с двойной связью: С=С, С=О, С=N. Причем только одна из связей между двумя атомами (например, С=С) может быть -связью. (Другие связывающие орбитали атома направлены в противоположные стороны.) Вторая связь образуется в результате перекрывания негибридных р -орбиталей по обе стороны от линии, соединяющей ядра атомов.

Ковалентная связь, образующаяся путем бокового перекрывания р -орбиталей соседних углеродных атомов, называется пи()-связью .

Образование -связи

Из-за меньшего перекрывании орбиталей -связь менее прочная, чем -связь.
sр -Гибридизация – это смешивание (выравнивание по форме и энергии) одной s- и одной
р -орбиталей с образованием двух гибридных sр -орбиталей. sр -Орбитали расположены на одной линии (под углом 180°) и направлены в противоположные стороны от ядра атома углерода. Две
р -орбитали остаются негибридизованными. Они размещены взаимно перпендикулярно
направлениям -связей. На рисунке sр -орбитали показаны вдоль оси y , а негибридизованные две
р -орбитали– вдоль осей х и z .

Тройная углерод-углеродная связь СС состоит из -связи, возникающей при перекрывании
sp -гибридных орбиталей, и двух -связей.
Взаимосвязь таких параметров атома углерода, как число присоединенных групп, тип гибридизации и типы образуемых химических связей, показана в таблице 4.

Таблица 4

Ковалентные связи углерода

Число групп, связанных с углеродом	Тип гибридизации	Типы участвующих химических связей	Примеры формул соединений
4	sp 3	Четыре - связи
3	sp 2	Три - связи и одна - связь
2	sp	Две - связи и две -связи	H–CC–H

Упражнения .

1. Какие электроны атомов (например, углерода или азота) называют неспаренными?

2. Что означает понятие «общие электронные пары» в соединениях с ковалентной связью (например, СН 4 или Н 2 S)?

3. Какие электронные состояния атомов (например, С или N) называют основными, а какие возбужденными?

4. Что означают цифры и буквы в электронной формуле атома (например, С или N)?

5. Что такое атомная орбиталь? Сколько орбиталей на втором энергетическом уровне атома С и чем они различаются?

6. В чем отличие гибридных орбиталей от исходных орбиталей, из которых они образовались?

7. Какие типы гибридизации известны для атома углерода и в чем они заключаются?

8. Нарисуйте картинку пространственного расположения орбиталей для одного из электронных состояний атома углерода.

9. Какие химические связи называют и какие ? Укажите - и -связи в соединениях:

10. Для атомов углерода приведенных ниже соединений укажите: а) тип гибридизации; б) типы его химических связей; в) валентные углы.

Ответы на упражнения к теме 1

Урок 5

1. Электроны, которые находятся по одному на орбитали, называют неспаренными электронами . Например, в электронографической формуле возбужденного атома углерода – четыре неспаренных электрона, а у атома азота – три:

2. Два электрона, участвующие в образовании одной химической связи, называют общей электронной парой . Обычно до образования химической связи один из электронов этой пары принадлежал одному атому, а другой электрон – другому атому:

3. Электронное состояние атома, в котором соблюдается порядок заполнения электронных орбиталей: 1s 2 , 2s 2 , 2p 2 , 3s 2 , 3p 2 , 4s 2 , 3d 2 , 4p 2 и т.д., называют основным состоянием . В возбужденном состоянии один из валентных электронов атома занимает свободную орбиталь с более высокой энергией, такой переход сопровождается разъединением спаренных электронов. Схематически это записывают так:

Тогда как в основном состоянии было только два валентных неспаренных электрона, то в возбужденном состоянии таких электронов становится четыре.

5. Атомная орбиталь – это функция, которая описывает плотность электронного облака в каждой точке пространства вокруг ядра данного атома. На втором энергетическом уровне атома углерода четыре орбитали – 2s , 2р x , 2р y , 2р z . Эти орбитали различаются:
а) формой электронного облака (s – шар, р – гантель);
б) р -орбитали имеют разную ориентацию в пространстве – вдоль взаимно перпендикулярных осей x , y и z , их обозначают р x , р y , р z .

6. Гибридные орбитали отличаются от исходных (негибридных) орбиталей формой и энергией. Например, s -орбиталь – форма сферы, р – симметричная восьмерка, sp -гибридная орбиталь – асимметричная восьмерка.
Различия по энергии: E (s ) < E (sр ) < E (р ). Таким образом, sp -орбиталь – усредненная по форме и энергии орбиталь, полученная смешиванием исходных s - и p -орбиталей.

7. Для атома углерода известны три типа гибридизации: sp 3 , sp 2 и sp (см. текст урока 5 ).

9. -связь – ковалентная связь, образующаяся путем лобового перекрывания орбиталей по линии, соединяющей центры атомов.
-связь – ковалентная связь, образующаяся путем бокового перекрывания р -орбиталей по обе стороны от линии, соединяющей центры атомов.
-Связи показывают второй и третьей черточкой между соединенными атомами.

Для объяснения фактов, когда атом образует большее число связей, чем число неспаренных электронов в его основном состоянии (например, атом углерода), используется постулат о гибридизации близких по энергии атомных орбиталей. Гибридизация АО происходит при образовании ковалентной связи, если при этом достигается более эффективное перекрывание орбиталей. Гибридизация атома углерода сопровождается его возбуждением и переносом электрона с 2s- на 2 р-АО:

АО с большой разницей в энергии (например, 1s и 2 р) в гибридизацию не вступают. В зависимости от числа участвующих в гибридизации p-АО возможны следующие виды гибридизации: для атомов углерода и азота - sp3, sp2 и sp; для атома кислорода - sp3, sp2; для галогенов - sp3.

Оси sp3-гибридных орбиталей направлены к вершинам правильного тетраэдра. Тетраэдрический угол между ними равен 109°28", что соответствует наименьшей энергии отталкивания электронов.

Sp2-Гибридизация (плоскостно- тригональная) Одна s- и две p-орбитали смешиваются, и образуются три равноценные sp2- гибридные орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° Они могут образовывать три s-связи. Третья р-орбиталь остается негибридизованной и ориентируется перпендикулярно плоскости расположения гибридных орбиталей. Эта р-АО участвует в образовании p-связи.

Данный урок поможет вам получить представление о теме «Геометрия молекул. Понятие о теории гибридизации». Будет раскрыт универсальный характер процесса гибридизации для органических, сложных неорганических веществ и аллотропных модификаций углерода. Вы узнаете о зависимости геометрии молекул от типа гибридизации электронных орбиталей и свойств веществ от геометрии молекул.

Тема: Введение в органическую химию

Урок: Геометрия молекул. Понятие о теории гибридизации

на примере молекул с одинарными связями

Внешний уровень атома углерода в основном (невозбужденном) состоянии описывается формулой 2s 2 2p 2 или схемой:

2 s

В этом строении заложены предпосылки для своеобразной симметрии - для четырех электронов имеются как раз 4 орбитали. Еще в середине XIX века немецкий ученый Фридрих Кекуле справедливо предположил, что в органических соединениях валентность углерода равна четырем.

С точки зрения электронного строения атома это можно объяснить так:

Один электрон с 2s-орбитали «перескакивает» на 2p-орбиталь, атом углерода при этом переходит в так называемое возбужденное состояние:

Возбужденное состояние атома углерода 2s 1 2p 3:

2 s

позволяет атому углерода образовать 4 ковалентные связи по обменному механизму.

Три p-орбитали традиционно изображают в форме взаимно перпендикулярных друг другу «гантелей», а s-орбиталь - в форме шара. Три связи, образованные p-электронами, должны располагаться под углом 90 o друг к другу, и они значительно длиннее, чем связь, образованная s-электроном. Но метан СН 4 - это симметричный тетраэдр.

Еще в 1874 г., за много лет до того, как стало возможным прямое определение строения молекул, Якоб Генрик Вант-Гофф (1852-1911), будучи студентом Утрехтского университета, предположил, что атом углерода в соединениях имеет тетраэдрическое строение. Строение молекулы метана СН 4 - правильный тетраэдр с атомом углерода в центре. Валентные углы связей Н-С-Н равны 109 о 28’.

Упрощенное объяснение: все орбитали внешнего уровня углерода выравниваются по энергии и форме, смешиваются, т.е. «гибридизуются», образуя одинаковые гибридные орбитали. См. рис. 1.

Рис. 1. Гибридизация - это смешивание электронных облаков при образовании химических связей

Смешение одной s -орбитали и трех p -орбиталей дает четыре sp 3 -гибридные орбитали, вытянутые по углам тетраэдра с атомом С в центре. Углерод в метане находится в состоянии sp 3 -гибридизации. Рис. 2.

Рис. 2. Строение метана

Строение аммиака

Таким же образом гибридизуются четыре орбитали атома азота в молекуле аммиака NH 3 : У атома азота 5 электронов на внешнем уровне. Поэтому на одной sp 3 -орбитали расположена неподеленная пара электронов, а на остальных трех - электронные пары связей N-H. Все четыре электронные пары располагаются по углам искаженного тетраэдра (электронное облако неподеленной пары больше, чем связывающей). Рис. 3

Рис. 3. Строение аммиака

Строение воды

У атома кислорода 6 электронов на внешнем уровне. Поэтому на двух sp 3 -орбиталях расположены неподеленные пары электронов, а на остальных двух - электронные пары связей О-H. Молекула имеет угловое строение. Рис. 4.

Рис. 4. Строение воды

При таком анализе строения молекул важно не путать геометрию расположения в пространстве электронных пар и геометрию химических связей. Мы видим, что в аммиаке и воде не все электронные пары участвуют в образовании химических связей.

Геометрия молекул или химических связей рассматривает именно расположение атомов в пространстве, не описывая расположение неподеленных электронных пар. Электронные облака гибридных орбиталей стараются как можно дальше оттолкнуться друг от друга. Если облака четыре- то они разойдутся по углам тетраэдра, три - разместятся в плоскости под углом 120°.

Строение молекулы BF 3

На внешнем уровне атома бора 3 электрона. При образовании связей бор, как и углерод, переходит в возбужденное состояние. Одна s- и две p-орбитали, на которых есть электроны, гибридизуются, образуя три одинаковых sp 2 -гибридных орбитали, располагающиеся по углам равностороннего треугольника с атомом бора в центре. Рис. 5

Рис. 5. Строение три фторида бора

Вывод : Геометрия молекул рассматривает расположение атомов в пространстве, не описывая расположение неподеленных электронных пар . Так, строение молекулы воды, состоящей из трех атомов, - не тетраэдрическое, а угловое.

Подведение итога урока

Вы получили представление о теме «Геометрия молекул. Понятие о теории гибридизации». Был раскрыт универсальный характер процесса гибридизации для органических, сложных неорганических веществ и аллотропных модификаций углерода. Вы узнали о зависимости геометрии молекул от типа гибридизации электронных орбиталей и свойств веществ от геометрии молекул.

Список литературы

1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.

2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2008. - 463 с.

3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2010. - 462 с.

4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. - 4-е изд. - М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. - 278 с.

Домашнее задание

1. №№ 1-3 (с. 22) Рудзитис Г.Е. , Фельдман Ф.Г.Химия: Органическая химия. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень/ Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.

2. Почему, имея одинаковый тип гибридизации (какой?), молекулы метана и аммиака имеют разное пространственное строение?

3. Чем отличается основное состояние атома углерода от возбужденного?

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Гибридизация атомных орбиталей

Лайнус Карл Полинг

Гибридизация атомных орбиталей – изменение формы и энергии орбиталей атома при образовании ковалентной связи для достижения более эффективного перекрывания орбиталей.

Различные орбитали, несильно отличающиеся энергиями, образуют соответствующее число гибридных орбиталей. Число гибридных орбиталей равно числу атомных орбиталей, участвующих в гибридизации. Гибридные орбитали одинаковы по форме электронного облака и по энергии.

В гибридизации участвуют не только связывающие электроны, но и неподеленные электронные пары.

По сравнению с атомными орбиталями гибридные более вытянуты в направлении образования химических связей и поэтому обуславливают лучшее перекрывание электронных облаков.

Гибридная орбиталь больше вытянута по одну сторону ядра, чем по другую.

Коорд. число Тип гибридизации Пространственная конфигурация молекулы, центральный атом которой подвергается гибридизации Расположение атомов в молекуле Примеры соединений 2 sp Линейная BeCl 2 , CO 2 , HCN 3 sp 2 Тригональная BF 3 , BCl 3 , NO 3 - , HgI 3 - , CdCl 3 - 4 sp 3 Тетраэдрическая CH 4 , CCl 4 , XeO 4 , HgI 4 - ,

sp-гибридизация - это гибридизация, в которой участвуют атомные орбитали одного s - и одного p -электронов

В процессе гибридизации образуются 2 гибридные орбитали, которые ориентируются друг к другу под углом 180 °

Представление о sp -гибридизации орбиталей можно применить для объяснения линейной формы молекулы BeH 2 , в которой атом бериллия образован гибридными sp -орбиталями.

О бразование молекулы фторида бериллия. Каждый атом фтора, входящий в состав этой молекулы, обладает одним неспаренным электроном, который и участвует в образовании ковалентной связи.

Атом бериллия в невозбужденном состоянии неспаренных электронов не имеет: Поэтому для участия в образовании химических связей атом бериллия должен перейти в возбужденное состояние:

при затрате некоторой энергии вместо исходных s - и р-орбиталей атома бериллия могут образоваться две равноценные гибридные орбитали (sp - орбитали).

Примеры химических соединений, для которых характерна sp -гибридизация: BeCl 2 , BeH 2 ,CO, CO 2 , HCN, карбин, ацетиленовые углеводороды (алкины).

sp 2 -гибридизация – гибридизация, в которой участвуют атомные орбитали одного s - и двух p -электронов

В результате гибридизации образуются три гибридные sp 2 орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу

Этот тип гибридизации наблюдается в молекуле BCl 3 .

sp 2 - гибридизация атома бора в молекуле фторида бора. Здесь вместо исходных одной s - и двух р-орбиталей возбужденного атома бора

образуются три равноценные sp 2 - орбитали. Поэтому молекула построена в форме правильного треугольника, в центре которого расположен атом бора, а в вершинах-атомы фтора.

Примеры соединений, в которых наблюдается sp 2 -гибридизация: SO 3 , BCl 3 , BF 3 , AlCl 3 , CO 3 2- , NO 3 - , графит, этиленовые углеводороды (алкены), карбоновые кислоты и ароматические углеводороды (арены).

sp 3 - гибридизация – гибридизация, в которой участвуют атомные орбитали одного s - и трех p -электронов

Четыре sp 3 -гибридные орбитали симметрично ориентированны в пространстве под углом 109°28"

не всегда пространственная конфигурация молекулы соответствует тетраэдру, это зависит от числа атомов в молекуле. Примером тому служат молекул воды и аммиакаNH 3.

Валентность атома азота – III, его пять электронов внешнего уровня занимают четыре орбитали, значит, тип гибридизации – sp 3 , но только три орбитали принимают участие в образовании химической связи. Тетраэдр без одной вершины превращается в пирамиду. Поэтому у молекулы аммиака форма молекулы пирамидальная, угол связи искажается до 107°30 ′.

кислород в молекуле воды находится в sp 3 гибридном состоянии, а форма молекулы - угловая, угол связи составляет 104°27′.

Примеры соединений, для которых характерна sp 3 -гибридизация: H 2 O, NH 3 , POCl 3 , SO 2 F 2 , SOBr 2 , NH 4+ , H 3 O + , алмаз, предельные углеводороды (алканы, циклоалканы).