A continuat. Început vezi In. № 15, 16/2004

Lecția 5. Hibridizare
Orbitele atomice ale carbonului

Bondul chimic covalent este format cu ajutorul perechilor electronice de legare generală după tipul:

Formează o conexiune chimică, adică Creați o pereche comună de electroni cu un electron "străin" dintr-un alt atom, numai electronii neplătiți pot doar. Electroni neplăcuți la înregistrarea formulelor electronice sunt localizate în celula orbită.
Orbital atomic. - Aceasta este o funcție care descrie densitatea norului electronic la fiecare punct al spațiului din jurul kernelului atomului. Norul electronic este o zonă spațială în care un electron poate fi detectat cu o mare probabilitate.
Pentru coordonare structura electronică Atomul de carbon și de valență al acestui element utilizează idei despre excitația atomului de carbon. Într-o stare normală (neexpitată), atomul de carbon are două persoane nepermise r. 2 -electron. În starea excitată (atunci când absorbi energia) una din 2 s. 2 -electronii pot merge liber r.-orbital. Apoi, în atomul de carbon apar patru electroni fără plată:

Amintiți-vă că în formula electronică a atomului (de exemplu, pentru carbonul 6 C - 1 s. 2 2s. 2 2p. 2) numere mari În fața literelor - 1, 2 - Indicați numărul nivelului de energie. Scrisori s. și r. Indicați forma unui nor electronic (orbital) și numerele din partea dreaptă deasupra literelor vorbesc despre numărul de electroni de pe acest orbital. Tot s.-Evubitals sferice:

La al doilea nivel de energie, cu excepția a 2-a s.- Executați trei 2 r.-Ibed. Acestea 2 r.-Evitali au o formă de elipsoidă similară cu gantere și sunt orientate în spațiu la un unghi de 90 ° unul față de celălalt. 2. r.-Evubitale denotă 2. r H., 2p y. și 2. p Z. În conformitate cu axele de-a lungul cărora se află aceste orbitale.

În formarea obligațiunilor chimice, orbitele electronice dobândesc aceeași formă. Deci, în limita hidrocarburilor este amestecată singură s.-Orbital și trei r.-Evuboli atomul de carbon cu formarea a patru identici (hibrid) sp. 3 -Orbital:

Aceasta - sp. 3-hibridizare.
Hibridizare - alinierea (amestecarea) orbitelor atomice ( s. și r.) cu formarea de noi orbite atomice numite orbitale hibride.

Orbitele hibride au o formă asimetrică, alungită spre atomul atașat. Nori electronici sunt respinși reciproc și sunt situați în spațiu cât mai departe unul de celălalt. Cu această axă patru sp.3-orbitale hibride Se dovedește a fi îndreptată spre vârfurile tetraedrului (piramida triunghiulară corectă).
În consecință, unghiurile dintre aceste orbitale sunt tetraedrale, egale cu 109 ° 28.
Vârfurile orbitălor electronice se pot suprapune cu orbite ale altor atomi. Dacă norii electronici se suprapun prin linia care leagă centrele de atomi, atunci se numește o astfel de conexiune covalentă sigma () - Comunicare. De exemplu, într-o moleculă de etan C2H6, se formează o legătură chimică între doi atomi de carbon prin suprapunerea a două orbite hibride. Acest lucru este oprit. În plus, fiecare atomi de carbon în cele trei sp. 3 suprapunerea de peste s.-Evubitali de trei atomi de hidrogen, formând trei mijloace.

În total, sunt posibile trei state de valență cu diferite tipuri de hibridizare pentru atomul de carbon. in afara de asta sp. 3-hibridizarea există sp. 2 - I. sp.-hibridizare.
sp. 2 -Hibridizare - amestecarea unuia. s.- si doi r.-Evitali. Ca rezultat, se formează trei hibride. sp. 2 - Doamne. Aceste sp. 2 Licitatorul este situat în același plan (cu axe h., w.) Și vizează vârfurile triunghiului cu un unghi între orbitele 120 °. Ne-menționată
r.-Orbital este perpendicular pe planul a trei hibride sp. 2 -Orbital (orientat de-a lungul axei z.). Jumatatea superioara r.-Evitali sunt situate deasupra planului, jumătatea inferioară este sub plan.
Un fel sp. 2 Hibridizarea de carbon are loc în compuși cu o legătură dublă: C \u003d C, C \u003d O, C \u003d N. Mai mult decât atât, doar una dintre legăturile dintre doi atomi (de exemplu, c \u003d c) poate fi-mijloace. (Alți atomi orbitali obligatoriu sunt direcționați în părțile opuse.) Cea de-a doua legătură este formată ca rezultat al suprapunerii non-librid r.-Ofitele de pe ambele părți ale liniei care leagă nucleele atomilor.

Bond covalent format din partea laterală a suprapunerii r.-Evitali ai atomilor de carbon vecini, numiți pI () - Comunicare.

Educaţie - Comunicare

Datorită suprapunerii mai mici a orbitelor, există mai puțin durabil, decât să-i faceți.
sp.-Hibridizare - Aceasta se amestecă (alinierea în formă și energie) una s- și unul
r.-Evitali cu formarea a două hibride sp.-Evitali. sp.-ItHelitali sunt situate pe aceeași linie (la un unghi de 180 °) și trimise la părți opuse De la kernelul atomului de carbon. Două
r.-Evitalele rămân ne-menționate. Ele sunt postate reciproc perpendiculare
Direcții - Comunicații. Pe imagine sp.-Evitalele sunt arătate de-a lungul axei y., și non-menționate două
r.-Evubitali de-a lungul axelor h. și z..

Conexiunea triplă a carbonului carbon al SS constă într-o conexiune care rezultă din suprapunere
sp.-Hibrid orbite și două paturi.
Relația dintre acești parametri ai atomului de carbon, ca număr de grupuri atașate, tipul de hibridizare și tipurile de legături chimice formate, este prezentată în Tabelul 4.

Tabelul 4.

Covoare de carbon covalent.

Numărul de grupuri Legate de Cu carbon	Un fel hibridizare	Tipuri Participare Chimie chimică	Exemple de formule pentru compuși
4	sp. 3	Patru conexiuni
3	sp. 2	Trei link-uri și Un singur sunet
2	sp.	Două conexiuni Și două paturi	H-CC-H

Exerciții.

1. Ce electroni ai atomilor (de exemplu, carbon sau azot) sunt numiți neplătiri?

2. Ce înseamnă conceptul de "perechi electrice generale" în conexiunile cu o legătură covalentă (de exemplu, CH 4 sauH 2 S. )?

3. Ce stări electronice de atomi (de exemplu, cu sauN. ) Apelați de bază și ce sunt excitați?

4. Ce înseamnă numerele și literele din formula electronică (de exemplu, cu sauN. )?

5. Ce este un orbital atomic? Câte orbite la nivelul celui de-al doilea nivel al atomului cu Și cum diferă ele?

6. Care este diferența dintre orbitele hibride din orbitele inițiale, din care au fost formate?

7. Ce tipuri de hibridizare sunt cunoscute pentru atomul de carbon și la ce se întâmplă?

8. Desenați o imagine a aranjamentului spațial al orbitalului pentru una dintre stările electronice ale atomului de carbon.

9. Ce conexiuni chimice sunt numite si ce? Specifica- și-comunicații în conexiuni:

10. Pentru atomii de carbon de mai jos, specificați: a) tipul de hibridizare; b) tipurile de obligațiuni chimice; c) unghiuri de valență.

Răspunsurile la exercitarea subiectului 1

Lecția 5.

1. Electronii care se află unul prin orbale sunt chemați electroni neplăcuți. De exemplu, în formula de electroni a atomului de carbon excitat - patru electroni neplătiți și la atomul de azot - trei:

2. Doi electroni implicați în formarea unuia legătură chimică, Apel cuplu electronic comun. De obicei, înainte de formarea unei legături chimice, unul dintre electronii acestei perechi a aparținut unui atom, iar celălalt electron este un alt atom:

3. Starea electronică a unui atom în care se observă procedura de umplere a orbalelor electronice: 1 s. 2 , 2s. 2 , 2p. 2 , 3s. 2 , 3p. 2 , 4s. 2 , 3d. 2 , 4p. 2, etc., numit stare de bază. ÎN entuziasmat Unul dintre electronii de valență al atomului ocupă un orbital liber cu o energie mai mare, o astfel de tranziție este însoțită de o deconectare a electronilor pereche. Schematic, este scrisă astfel:

În timp ce în starea principală au existat doar două electroni fără valență, apoi patru dintre acești electroni devine în starea excitată.

5. Orbitalul atomic este o funcție care descrie densitatea norului electronic la fiecare punct al spațiului din jurul kernelului acestui atom. În cel de-al doilea nivel de energie al atomului de carbon patru orbite - 2 s., 2r X., 2p y., 2p Z.. Aceste orbital diferă:
a) forma unui nor electronic ( s. - minge, r. - Dumbbell);
b) r.-Obitali au orientare diferită în spațiu - de-a lungul axelor reciproc perpendiculare x., y. și z., ele sunt denumite r X., p y., p Z..

6. Orbitele hibride diferă de forma și energia orbitală inițială (non-liberală). De exemplu, s.-Orbital - formă de sferă, r. - opt simetrice, sp.-Hibrid orbital - opt asimetrice.
Diferențele de energie: E.(s.) < E.(sp.) < E.(r.). În acest fel, sp.-Evbital - o medie orbitală și o energie obținută prin sursa de amestecare s.- și p.-Evitali.

7. Pentru atomul de carbon, sunt cunoscute trei tipuri de hibridizare: sp. 3 , sp. 2 I. sp. (vedeți lecția de text 5).

9. -Svyaz este o legătură covalentă formată prin suprapunerea frontală a orbitelor de-a lungul liniei care leagă centrele de atomi.
- obligațiuni covalente formate prin suprapunere laterală r.-Ribitali pe ambele părți ale liniei care leagă centrele de atomi.
- Comunicațiile arată linia a doua și a treia dintre atomii conectați.

Pentru a explica faptele atunci când un atom formează un număr mai mare de obligațiuni decât numărul de electroni nepermanzi în starea sa principală (de exemplu, atomul de carbon), postulatul hibridizării orbitelor nucleare în apropierea energiei. Hibridizarea AO are loc în formarea unei legături covalente, în timp ce se realizează suprapunerea mai eficientă a orbitalului. Hibridizarea atomului de carbon este însoțită de excitația și transferul unui electron de la 2S- cu 2 R-AO:

SA cu o diferență mare de energie (de exemplu, 1S și 2 P) în hibridizare nu intră. În funcție de numărul de persoane care participă la hibridizare, sunt posibile următoarele tipuri de hibridizare: pentru atomii de carbon și azot - SP3, SP2 și SP; pentru atomul de oxigen - SP3, SP2; Pentru halogen - sp3.

SP3-hibrid orbitale sunt direcționate spre vârfurile tetraedrului corect. Unghiul tetraedral dintre ele este de 109 ° 28 ", care corespunde celei mai scăzute energie a repulsiei electronilor.

Hibridizarea SP2 (flat-trigonală) este amestecată și două orbite P și trei orbite hibrid echivalente sunt formate, amplasate într-un avion la un unghi de 120 °, pot forma trei legături S. Al treilea p-orbital rămâne neautorizat și orientat perpendicular pe planul localizării orbitei hibride. Acest R-AO este implicat în formarea de P-Communications.

Această lecție vă va ajuta să obțineți o idee despre subiectul "Geometria moleculelor. Conceptul de teorie a hibridizării ". Natura universală a procesului de hibridizare pentru complexe organice va fi dezvăluită. substanțe anorganice și modificările carbonului alotropic. Veți afla despre dependența geometriei moleculelor asupra tipului de hibridizare a orbitării electronice și a proprietăților substanțelor din geometria moleculelor.

Subiect: Introducere în chimia organică

Lecția: Geometria moleculelor. Conceptul de teorie a hibridizării

pe exemplul moleculelor cu conexiuni unice

Nivel extern. atomul de carbon, practic (neexpitacios) Descrie formula sau schema 2 2 2 p2 2:

2 s.

În această structură, premisele pentru particular simetrie - Pentru patru electroni, există 4 orbite. La mijlocul secolului al XIX-lea, omul de știință german Friedrich Kekule a sugerat destul de mult că în compușii organici, valența de carbon este de patru.

Din punctul de vedere al structurii electronice a atomului, acest lucru poate fi explicat după cum urmează:

Un electron cu orbite de 2s "salturi" la un orbital 2p, un carbon în timp trece în așa-numitul stadiu excitat:

Entuziasmică de atom Carbon 2s 1 2p 3:

2 s.

permite atomului de carbon să formeze 4 legături covalente pe mecanismul de schimb.

Trei p-orbitale descriu în mod tradițional sub formă de reciproc perpendicular pe celelalte "gantere", iar S-Orbital este în formă de minge. Trei conexiuni formate de P-Electroni trebuie amplasate la un unghi de 90 o unul altuia și sunt mult mai lungi decât conexiunea formată de S-Electron. Dar metanul CH4 este o tetraedru simetric.

Înapoi în 1874, cu mulți ani înainte de a deveni posibil definiție directă Structurile moleculelor, Jacob Herrik Vant-Hoff (1852-1911), fiind student al Universității Utrecht, au sugerat că atomul de carbon din compuși are o structură tetraedrală. Structura moleculelor de metan CH4 este tetraedrul corect cu atom de carbon în centru. Unghiurile Valentale. conexiuni n-s-n egal cu 109 ® 28 '.

Explicație simplificată: toate nivelurile orbitale ale carbonului sunt aliniate cu energia și forma, amestecate, adică "Hibridize", formând aceleași orbite hibride. Vezi fig. unu.

Smochin. 1. Hibridizarea amestecă nori electronici în formarea unor legături chimice

Amestecare unul S.-Orbitali I. trei P.-Evubitals dă patru sp. 3.-Hybrid orbitelate alungite la colțurile tetraedrului cu un atom cu în centru. Carbonul în metan se află într-o stare de SP 3-hibridizare. Smochin. 2.

Smochin. 2. Structura metanului

Structura amoniacului

În același mod, patru atomi de azot orbital moleculă de amoniac NH3: La atomul de azot 5 electroni la nivel extern. Prin urmare, pe un SP 3, există o pereche de electroni de vapori și pe celelalte trei - perechi electronice n-H Bonduri. Toate cele patru perechi electronice sunt situate în colțurile unui tetraedru distorsionat (un nor electronic al perechii răsunătoare este mai mult decât legat). Smochin. 3.

Smochin. 3. Structura amoniacului

Structura apei

La atomul de oxigen 6 electroni la nivel extern. Prin urmare, pe două spații SP 3, există perechi de electroni și pe celelalte două - perechi electronice de conexiuni O-H. Molecula are o structură unghiulară. Smochin. patru.

Smochin. 4. Structura apei

Cu această analiză a structurii moleculelor, este important să nu se confunde de geometria locației în spațiul perechilor electronice și de geometria legăturilor chimice. Vedem că în amoniac și apă, nu toate cuplurile electronice sunt implicate în formarea de obligațiuni chimice.

Geometria moleculelor sau a legăturilor chimice este considerată tocmai aranjamentul atomilor în spațiu, fără a descrie localizarea perechilor electronice vulnerabile. Nori electronici de orbale hibride încearcă cât mai mult posibil să se desprindă unul de celălalt. Dacă norii sunt patru, ele dispar la colțurile tetraedrului, trei sunt parfumate într-un avion la un unghi de 120 °.

Structura moleculeiBF 3.

La nivelul extern al unui atom al unui electron bor 3. În formarea legăturilor, precum și a carbonului, se transformă într-o stare excitată. Unul și două orbite P, pe care sunt electroni, hibridizați, formând trei orbite identice SP 2-hibride, situate la unghiurile triunghiului echilateral cu atomul de bor din centru. Smochin. cinci

Smochin. 5. Construiți trei fluoruri de bor

Ieșire: Geometria moleculelor consideră locația atomilor în spațiu, fără a descrie localizarea perechilor electronice vulnerabile. Astfel, structura unei molecule de apă constând din trei atomi nu este o tetraedru, ci unghiular.

Rezumarea lecției

Ați primit o idee despre subiectul "Geometria moleculelor. Conceptul de teorie a hibridizării ". Natura universală a procesului de hibridizare pentru substanțele anorganice organice, complexe și modificările de carbon allocropic a fost dezvăluită. Ați învățat despre dependența geometriei moleculelor asupra tipului de hibridizare a orbitelor electronice și a proprietăților substanțelor din geometria moleculelor.

Bibliografie

1. Rudzita G.E. Chimie. Elementele de bază ale chimiei generale. Gradul 10: Tutorial pentru instituții educaționale generale: Nivelul de bază / G. E. Rudzită, F.g. Feldman. - ediția a 14-a. - M.: Iluminare, 2012.

2. Chimie. Gradul 10. Nivelul de profil: studii. Pentru educația generală. Instituții / V.V. EREMIN, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin și colab. - M.: Drop, 2008. - 463 p.

3. Chimie. Clasa a 11a. Nivelul profilului: studii. Pentru educația generală. Instituții / V.V. EREMIN, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunină și alții. - M.: DROP, 2010. - 462 p.

4. Homchenko G.P., Khomchenko I.g. Colectarea sarcinilor în chimie pentru intrarea în universități. - Al patrulea ed. - M.: RIA "New Wave": editor de morți, 2012. - 278 p.

Teme pentru acasă

1. № 1-3 (p. 22) Rudzita G.E. , Feldman F.g. Chimiya: Chimie organică. Gradul 10: Tutorial pentru instituțiile de învățământ general: Nivel de bază / G. E. Rudzită, F.g. Feldman. - ediția a 14-a. - M.: Iluminare, 2012.

2. De ce, având același tip de hibridizare (care?), Moleculele de metan și amoniac au o structură spațială diferită?

3. Care este starea principală a atomului de carbon de la cei excitați?

Pentru a vă bucura de prezentări de previzualizare, creați-vă un cont (cont) Google și conectați-vă la acesta: https://accounts.google.com

Semnături pentru diapozitive:

Hibridizarea orbitălor atomice

Linus Karl Polynong.

Hibridizarea orbitălor atomice este o schimbare a formei și a energiei unui orbital a atomului atunci când se formează legătura covalentă pentru a obține o suprapunere mai eficientă a orbitalului.

Diferite orbite care sunt ușor diferite de energii formează un număr adecvat de orbite hibride. Numărul de orbale hibride este egal cu numărul de orbite atomice care participă la hibridizare. Orbitenele hibride sunt aceleași sub forma unui nor electronic și a energiei.

În hibridizare, nu numai electronii de legare nu participă, ci și perechile electronice vulnerabile.

În comparație cu orbitele atomice, hibridul este mai alungit în direcția formării legăturilor chimice și, prin urmare, determină cea mai bună suprapunere a nori electronici.

Orbitalul hibrid este mai întins pe o parte a kernelului decât celălalt.

Coord. Numărul de tip de hibridizare a configurației spațiale a moleculei, a cărei atomi centrali este supusă hibridizării aranjamentului atomilor în moleculele Exemple de compuși 2 SP Linear Becl 2, CO 2, HCN 3 SP 2 trigonal BF 3, BCL3, Nr. 3 -, HGI 3 -, CDCI 3 - 4 SP 3 Tetrahedru CH4, CCL 4, XEO 4, HGI 4 -,

sP-hibridizarea este o hibridizare în care sunt implicate orbitele atomice ale unui electron S - și un electron P.

În procesul de hibridizare, se formează 2 orbite hibride, care se adresează reciproc la un unghi de 180 °

Ideea de sp-hibridizare a orbitalului poate fi aplicată pentru a explica forma liniară a moleculei BEH 2, în care atomul de beriliu este format din Hybrid SP -orbital.

Despre cablajul moleculei de fluorură de beriliu. Fiecare atom de fluor, care face parte din această moleculă, are un electron neînchis, care este implicat în formarea unei legături covalente.

Atomul de beriliu într-o stare nepermisă a electronilor nepermanați nu are: prin urmare, să participe la formarea de legături chimice, un atom Beriliu trebuie să meargă la starea excitată:

În timpul costului unei energii, în loc de orbitele inițiale S și P ale atomului de beriliu, se pot forma două orbite hibride echivalente (SP - orbite).

Exemple compuși chimiciPentru care se caracterizează Hibridizarea SP: BECL 2, BEH 2, CO, CO 2, HCN, carbine, hidrocarburi de acetilenă (alci).

sP 2-HipBridizare - hibridizare în care participă orbitele atomice ale unui S - și doi P Elektroni

Ca rezultat al hibridizării, se formează trei orbite Hybrid SP 2, situate în același plan la un unghi de 120 ° unul față de celălalt.

Acest tip de hibridizare este observat în molecula BCL3.

sP 2 este hibridizarea atomului de bor în molecula de fluorură de bor. Aici, în loc de cea inițială S - și două orbite ale atomului de bor excitat

se formează trei orbite echitabile SP2. Prin urmare, molecula este construită sub forma unui triunghi adecvat, în centrul cărora este atomul de bor și în vârfurile atomilor de fluor.

Exemple de compuși în care se observă SP 2-hibridizare: S03, BCI3, BF3, ALCI3, CO 3 2-, nr. 3 -, grafit, hidrocarburi de etilenă (alchenă), acizi carboxilici și hidrocarburi aromatice (Arenă).

sP 3 - hibridizare - hibridizare în care participă orbitele atomice ale unui S - și trei P -electroni

Patru orbitale SP 3-hibrid sunt orientate simetric în spațiu la un unghi de 109 ° 28 "

configurația spațială a moleculei corespunde tetraedrei, depinde de numărul de atomi din moleculă. Un exemplu de aceasta este moleculele de apă și amoniacul 3.

Valența Atomului de azot - III, cei cinci electroni ai nivelului exterior ocupă patru orbite, ceea ce înseamnă că tipul de hibridizare este SP 3, dar doar trei orbite participă la formarea unei legături chimice. Tetrahedron fără un vârf se transformă într-o piramidă. Prin urmare, o moleculă de amoniac are o formă de moleculă piramidală, unghiul de comunicare este distorsionat la 107 ° 30 '.

oxigenul din molecula de apă este în stare hibridă SP 3, iar forma moleculei este unghiular, unghiul de comunicare este de 104 ° 27 '.

Exemple de compuși pentru care SP 3-hibridizare este caracterizată: H20, NH3, POCI3, SO 2 F2, SOBR2, NH4 +, H3O +, Diamond, Limituri hidrocarburi (alcani, cicloalcani).