Гибридизация атомных орбиталей

3.2. Типы связей в молекулах органических веществ. Гибридизация атомных орбиталей углерода. Радикал. Функциональная группа

Большинство органических соединений имеют молекулярное строение.

Атомы в веществах с молекулярным типом строения всегда образуют только ковалентные связи друг с другом, что наблюдается и в случае органических соединений.

Напомним, что ковалентным называется такой вид связи между атомами, который реализуется за счет того, что атомы обобществляют часть своих внешних электронов с целью приобретения электронной конфигурации благородного газа.

По количеству обобществлённых электронных пар ковалентные связи в органических веществах можно разделить на одинарные, двойные и тройные. Обозначаются данные типы связей в графической формуле соответственно одной, двумя или тремя чертами:

Кратность связи приводит к уменьшении ее длины, так одинарная С-С связь имеет длину 0,154 нм, двойная С=С связь – 0,134 нм, тройная С≡С связь – 0,120 нм.

Типы связей по способу перекрывания орбиталей

Как известно, орбитали могут иметь различную форму, так, например, s-орбитали имеют сферическую, а p-гантелеобразную форму. По этой причине связи также могут отличаться по способу перекрывания электронных орбиталей:

• ϭ-связи – образуются при перекрывании орбиталей таким образом, что область их перекрывания пересекается линией, соединяющей ядра. Примеры ϭ-связей:

• π-связи – образуются при перекрывании орбиталей, в двух областях – над и под линией соединяющей ядра атомов. Примеры π-связей:

Как узнать, когда в молекуле есть π- и ϭ-связи?

При ковалентном типе связи ϭ-связь между любыми двумя атомами есть всегда, а π-связь имеет только в случае кратных (двойных, тройных) связей. При этом:

• • Одинарная связь – всегда является ϭ-связью
• • Двойная связь всегда состоит из одной ϭ- и одной π-связи
• • Тройная связь всегда образована одной ϭ- и двумя π-связями.

Укажем данные типы связей в молекуле пропиновой кислоты:

Гибридизация орбиталей атома углерода

Гибридизацией орбиталей называют процесс, при котором орбитали, изначально имеющие разные формы и энергии смешиваются, образуя взамен такое же количество гибридных орбиталей, равных по форме и энергии.

Так, например, при смешении одной s- и трех p-орбиталей образуются четыре sp3-гибридных орбитали:

В случае атомов углерода в гибридизации всегда принимает участие s-орбиталь, а количество p-орбиталей, которые могут принимать участие в гибридизации варьируется от одной до трех p-орбиталей.

Как определить тип гибридизации атома углерода в органической молекуле?

В зависимости от того, со скольким числом других атомов, связан какой-либо атом углерода, он находится либо в состоянии sp3, либо в состоянии sp2, либо в состоянии sp-гибридизации:

Потренируемся определять тип гибридизации атомов углерода на примере следующей органической молекулы:

• Первый атом углерода связан с двумя другими атомами (1H и 1C), значит он находится в состоянии sp-гибридизации.

• • Второй атом углерода связан с двумя атомами – sp-гибридизация
• • Третий атом углерода связан с четырьмя другими атомами (два С и два Н) – sp3-гибридизация
• • Четвертый атом углерода связан с тремя другими атомами (2О и 1С) – sp2-гибридизация.

Радикал. Функциональная группа

Под термином радикал, чаще всего подразумевают углеводородный радикал, являющийся остатком молекулы какого-либо углеводорода без одного атома водорода.

Название углеводородного радикала формируется, исходя из названия соответствующего ему углеводорода заменой суффикса –ан на суффикс –ил.

Функциональная группа — структурный фрагмент органической молекулы (некоторая группа атомов), который отвечает за её конкретные химические свойства.

В зависимости того, какая из функциональных групп в молекуле вещества является старшей, соединение относят к тому или иному классу.

R – обозначение углеводородного заместителя (радикала).

Радикалы могут содержать кратные связи, которые тоже можно рассматривать как функциональные группы, поскольку кратные связи вносят вклад в химические свойства вещества.

Если в молекуле органического вещества содержится две или более функциональных группы, такие соединения называют полифункциональными.

Гибридизация атомных орбиталей: понятие и основные виды

Одна из задач химии – это изучение строения вещества, в том числе выяснение механизма образования различных соединений из простых веществ, образуемых атомами одного химического элемента.

Особенности взаимодействия атомов, точнее, их разноименно заряженных компонентов – электронных оболочек и ядер, – описываются как различные типы химической связи.

Так, вещества, имеющие молекулярное строение, образуются посредством ковалентной связи, для описания которой в 1931 году американским химиком Л. Полингом была предложена модель гибридизации атомных орбиталей.

Понятие о ковалентной связи

В тех случаях, когда в процессе взаимодействия происходит образование общей для двух атомов пары валентных электронных облаков, говорят о ковалентной связи. В результате ее возникновения формируется мельчайшая частица простого или сложного вещества – молекула.

Одной из особенностей ковалентной связи является ее направленность – следствие сложной формы электронных орбиталей p, d и f, которые, не обладая сферической симметрией, имеют определенную пространственную ориентацию.

Еще одна важная особенность данного типа химической связи – насыщаемость, обусловленная ограниченным количеством внешних – валентных – облаков в атоме.

Образование общих электронных пар может происходить различными способами. В механизме образования ковалентной связи важную роль играет характер перекрытия облаков и пространственная симметрия результирующего облака. По данному критерию Л. Полинг предложил различать следующие типы:

• Сигма-связь (σ) отличается наибольшей степенью перекрытия по оси, проходящей через атомные ядра. Здесь плотность облака будет максимальной.
• Пи-связь (π) образуется при боковом перекрывании, и электронное облако, соответственно, имеет наибольшую плотность вне соединяющей ядра оси.

Эти пространственные характеристики имеют большое значение постольку, поскольку они коррелируют с энергетическими параметрами ковалентной связи.

Особенности многоатомных молекул

Концепция гибридизации атомных орбиталей была введена Полингом для объяснения одной из особенностей ковалентных связей в многоатомных молекулах.

Известно, что связи, образуемые центральным атомом в таких молекулах, оказываются одинаковыми по пространственным и энергетическим характеристикам.

Это происходит вне зависимости от того, какие орбитали (s, p или d) участвуют в формировании общей электронной пары.

Очень удобным и наглядным примером для иллюстрации этого явления служит атом углерода. При вступлении в химическую связь атом в возбужденном состоянии имеет 4 валентных орбитали: 2s, 2px, 2py и 2pz. Три последних отличаются от орбитали 2s по энергии и форме.

Тем не менее в молекуле, например, метана CH4 все четыре связи совершенно равноценны и имеют валентные углы 109,5° (в то время как p-орбитали расположены под углами 90°).

В других соединениях углерода встречаются валентные углы 120° и 180°; в молекулах, содержащих азот (аммиак NH3) и кислород (вода H2O) эти углы составляют 107,5° и 104,5°. Возникновение подобных валентных углов также потребовало объяснения.

Суть явления

Идея гибридизации состоит в образовании усредненных орбиталей путем перекрывания электронных облаков разного типа с близкими значениями энергии – s, p, иногда d. Количество результирующих – гибридных – орбиталей соответствует числу перекрывающихся облаков.

Поскольку орбиталь – это волновая функция, определяющая вероятность нахождения электрона в той или иной точке атома, гибридная орбиталь представляет собой наложение волновых функций, происходящее в результате электронных переходов при возбуждении атома.

Оно приводит к возникновению равнозначных волновых функций, различающихся только направленностью.

Гибридные орбитали эквивалентны по энергии и имеют одинаковую форму в виде объемной восьмерки, имеющей сильную асимметрию относительно ядра. На гибридизацию затрачивается меньше энергии, чем выделяется при образовании прочной ковалентной связи с гибридными орбиталями, поэтому такой процесс энергетически выгоден, то есть наиболее вероятен.

Основные виды гибридизации орбиталей и геометрия молекул

Возможны различные варианты перекрывания (смешения) внешних электронных облаков в атоме. Самыми распространенными являются следующие виды наложения орбиталей:

• Sp3-гибридизация. Данный вариант реализуется при наложении одной s- и трех p-орбиталей. Результатом его становятся четыре гибридные орбитали, оси которых направлены для любой пары под углами 109,5°, соответствующим минимальному взаимному отталкиванию электронов. При вступлении этих орбиталей в σ-связи с другими атомами, формируется молекула тетраэдрической конфигурации, например, метан, этан C2H6 (комбинация двух тетраэдров), аммиак, вода. В молекуле аммиака одна, а в молекуле воды – две из вершин тетраэдра заняты неподеленными электронными парами, что приводит к уменьшению валентного угла.
• Sp2-гибридизация возникает при комбинации одной s- и двух p-орбиталей. В этом случае тройка гибридных орбиталей располагается под углами 120° в одной плоскости. Подобную треугольную форму имеют, например, молекулы трихлорида бора BCl3, находящего применение в различных технологиях. Другой пример – молекула этилена – формируется за счет дополнительной π-связи между атомами углерода, в которых по одной p-орбитали негибридные и ориентированы перпендикулярно плоскости, образуемой двумя треугольниками.
• Sp-гибридизация происходит, когда смешиваются одна s- и одна p-орбиталь. Два гибридных облака располагаются под углом 180°, а молекула имеет линейную конфигурацию. Примерами могут служить молекулы хлорида бериллия BeCl2 или ацетилена C2H2 (в последней две негибридные p-орбитали углерода образуют дополнительные π-связи).

Существуют и более сложные варианты гибридизации атомных орбиталей: sp3d, sp3d2 и другие.

Роль модели гибридизации

Концепция Полинга дает хорошее качественное описание строения молекул. Она удобна и наглядна, успешно объясняет некоторые особенности ковалентных соединений, такие как величина валентных углов или выравнивание длины химической связи.

Однако количественная сторона модели не может считаться удовлетворительной, поскольку не позволяет делать многие важные предсказания, касающиеся физических эффектов, связанных с особенностями строения молекул, – например, молекулярных фотоэлектронных спектров.

Сам автор концепции гибридизации уже в начале 1950-х годов отмечал ее недостатки.

Тем не менее в становлении современных представлений о строении вещества модель гибридизации атомных орбиталей сыграла большую роль.

На основе ее были разработаны более адекватные концепции, например, теория отталкивания электронных пар.

Поэтому, безусловно, модель гибридизации явилась важным этапом в развитии теоретической химии, а при описании некоторых аспектов электронной структуры молекул она вполне применима и в настоящее время.

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 типа гибридизации молекул с ковалентной связью

Определить тип гибридизации можно только для молекул с ковалентной связью типа АВn, 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:

* 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 ABn, 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 и –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 -связи (выделена красным цветом), поскольку -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 АВn 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.

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

Примеры решения задач