מושג הכלאה

הרעיון של הכלאה של אורביטלים אטומיים ערכייםהוצע על ידי הכימאי האמריקני לינוס פאולינג כדי לענות על השאלה מדוע, אם לאטום המרכזי יש אורביטלים ערכיים שונים (s, p, d), הקשרים הנוצרים על ידו במולקולות פוליאטומיות עם אותם הליגנדים שווים במאפיינים האנרגיה והמרחביים שלהם. .

רעיונות לגבי הכלאה הם מרכזיים בשיטת קשרי הערכיות. הכלאה עצמה אינה תהליך פיזיקלי אמיתי, אלא רק מודל נוח המאפשר להסביר את המבנה האלקטרוני של מולקולות, בפרט, שינויים היפותטיים של אורביטלים אטומיים במהלך היווצרות של קשר כימי קוולנטי, בפרט, יישור של כימיקלים. אורכי קשר וזוויות קשר במולקולה.

מושג ההכלאה יושם בהצלחה בתיאור האיכותי של מולקולות פשוטות, אך הוא הורחב מאוחר יותר למורכבות יותר. שלא כמו התיאוריה של אורביטלים מולקולריים, היא אינה כמותית לחלוטין, למשל, היא אינה מסוגלת לחזות את ספקטרום הפוטואלקטרון של אפילו מולקולות פשוטות כמו מים. הוא משמש כיום בעיקר למטרות מתודולוגיות ובכימיה אורגנית סינתטית.

עקרון זה בא לידי ביטוי בתיאוריית גילספי-ניהולם של דחייה של זוגות אלקטרונים. ראשון והכי כלל חשובאשר נוסחה כך:

"זוגות אלקטרוניים לוקחים סידור כזה על מעטפת הערכיות של האטום, שבו הם רחוקים זה מזה ככל האפשר, כלומר, זוגות אלקטרונים מתנהגים כאילו הם דוחים זה את זה."

הכלל השני הוא זה "כל זוגות האלקטרונים הכלולים במעטפת האלקטרונים הערכית נחשבים לממוקמים באותו מרחק מהגרעין".

סוגי הכלאה

הכלאה sp

מתרחש בעת ערבוב אחד s- ואחד p-אורביטלים. נוצרים שני אורביטלים אטומיים sp-אטומיים שוות ערך, הממוקמים באופן ליניארי בזווית של 180 מעלות ומכוונים לכיוונים שונים מגרעין אטום הפחמן. שני האורביטלים הלא-היברידיים הנותרים ממוקמים במישורים בניצב זה לזה ומשתתפים ביצירת קשרי π, או שהם תפוסים על ידי זוגות בודדים של אלקטרונים.

הכלאה sp 2

מתרחש בעת ערבוב s- ושני p-אורביטלים אחד. שלושה אורביטלים היברידיים נוצרים עם צירים הממוקמים באותו מישור ומכוונים לקודקודי המשולש בזווית של 120 מעלות. לא היברידי p מסלול אטומימאונך למישור ובדרך כלל משתתף ביצירת קשרי π

הכלאה sp 3

מתרחשת בעת ערבוב s- ושלושה p-אורביטלים אחד, ויוצרים ארבעה אורביטלים היברידיים sp3 בעלי צורה ואנרגיה שווים. הם יכולים ליצור ארבעה קשרי σ עם אטומים אחרים או להיות מלאים בזוגות בודדים של אלקטרונים.

הצירים של אורביטלים היברידיים sp3 מכוונים לקודקודים של טטרהדרון רגיל. הזווית הטטרהדרלית ביניהם היא 109°28", התואמת לאנרגיית דחיית האלקטרונים הנמוכה ביותר. אורביטלים של Sp3 יכולים גם ליצור ארבעה קשרי σ עם אטומים אחרים או להיות מלאים בזוגות אלקטרונים לא משותפים.

הכלאה וגיאומטריה מולקולרית

רעיונות לגבי הכלאה של אורביטלים אטומיים עומדים בבסיס התיאוריה של גילספי-ניהולם של דחייה של זוגות אלקטרונים. כל סוג של הכלאה תואם אוריינטציה מרחבית מוגדרת בקפדנות של האורביטלים ההיברידיים של האטום המרכזי, המאפשרת להשתמש בו כבסיס למושגים סטריאוכימיים בעולם. כימיה אורגנית.

הטבלה מציגה דוגמאות להתאמה בין סוגי ההכלאה הנפוצים ביותר לבין המבנה הגיאומטרי של מולקולות, בהנחה שכל האורביטלים ההיברידיים משתתפים ביצירת קשרים כימיים (אין זוגות אלקטרונים לא משותפים).

סוג הכלאה	מספר אורביטלים היברידיים	גֵאוֹמֶטרִיָה	מִבְנֶה	דוגמאות
sp	2	ליניארי		BeF 2, CO 2, NO 2 +
sp 2	3	מְשּוּלָשׁ		BF 3, NO 3 -, CO 3 2-
sp 3	4	טטרהדרלית		CH 4, ClO 4 -, SO 4 2-, NH 4 +
dsp2	4	ריבוע שטוח		Ni(CO) 4 , XeF 4
sp 3 ד	5	משושה		PCl 5, AsF 5
sp 3 d 2	6	אוקטהדרלה		SF 6 , Fe(CN) 6 3- , CoF 6 3-

קישורים

סִפְרוּת

• פאולינג ל.אופי הקשר הכימי / פר. מאנגלית. M. E. Dyatkina. אד. פרופ' יא ק סירקינה. - M.; ל.: גושימיזדאת, 1947. - 440 עמ'.
• פאולינג ל.כימיה כללית. לְכָל. מאנגלית. - מ.: מיר, 1974. - 846 עמ'.
• מינקין וי, סימקין בי יא, מיניייב ר' מ.תורת המבנה של מולקולות. - רוסטוב-על-דון: הפניקס, 1997. - ש' 397-406. - ISBN 5-222-00106-7
• גילספי ר.גיאומטריה של מולקולות / פר. מאנגלית. E. Z. Zasorina and V. S. Mastryukov, ed. יו. א. פנטינה. - מ.: מיר, 1975. - 278 עמ'.

ראה גם

הערות

קרן ויקימדיה. 2010 .

הכלאה של אורביטלים אטומיים וגיאומטריה של מולקולות

מאפיין חשוב של מולקולה המורכבת מיותר משני אטומים הוא שלה תצורה גיאומטרית.זה מוגדר הסדר הדדיאורביטלים אטומיים המעורבים ביצירת קשרים כימיים.

חפיפה של ענני אלקטרונים אפשרית רק עם אוריינטציה הדדית מסוימת של ענני אלקטרונים; במקרה זה, אזור החפיפה ממוקם בכיוון מסוים ביחס לאטומים המקיימים אינטראקציה.

טבלה 1 הכלאה של אורביטלים ותצורה מרחבית של מולקולות

לאטום הבריליום הנרגש יש את התצורה 2s 1 2p 1, אטום הבור הנרגש - 2s 1 2p 2 ואטום הפחמן הנרגש - 2s 1 2p 3. לכן, אנו יכולים להניח שלא אותו, אלא אורביטלים אטומיים שונים יכולים להשתתף ביצירת קשרים כימיים. לדוגמה, בתרכובות כמו BeCl 2, BeCl 3, CCl 4 צריכים להיות קשרים בעלי חוזק וכיוונים לא שווים, וקשרי σ מ-p-orbitals צריכים להיות חזקים יותר מקשרים מ-s-orbitals, מכיוון עבור p-orbitals, ישנם תנאים נוחים יותר לחפיפה. עם זאת, הניסיון מלמד שבמולקולות המכילות אטומים מרכזיים עם אורביטלים ערכיים שונים (s, p, d), כל הקשרים שווים. ההסבר לכך ניתן על ידי סלייטר ופולינג. הם הגיעו למסקנה שאורביטלים שונים, שאינם שונים מאוד באנרגיה, יוצרים מספר מקביל של אורביטלים היברידיים. אורביטלים היברידיים (מעורבים) נוצרים מאורביטלים אטומיים שונים. מספר האורביטלים ההיברידיים שווה למספר האורביטלים האטומיים המעורבים בהכלאה. אורביטלים היברידיים זהים בצורת ענן האלקטרונים ובאנרגיה. בהשוואה לאורביטלים אטומיים, הם מוארכים יותר בכיוון היווצרות של קשרים כימיים ולכן גורמים לחפיפה טובה יותר של ענני אלקטרונים.

הכלאה של אורביטלים אטומיים דורשת אנרגיה, ולכן אורביטלים היברידיים באטום מבודד אינם יציבים ונוטים להפוך ל-AOs טהורים. כאשר נוצרים קשרים כימיים, אורביטלים היברידיים מתייצבים. בשל הקשרים החזקים יותר שנוצרים על ידי האורביטלים ההיברידיים, משתחררת יותר אנרגיה מהמערכת ולכן המערכת הופכת יציבה יותר.

הכלאה sp מתרחשת, למשל, ביצירת הלידים Be, Zn, Co ו-Hg (II). IN מצב ערכיותכל הלידי המתכת מכילים s ואלקטרונים בלתי מזווגים ברמת האנרגיה המתאימה. כאשר נוצרת מולקולה, s-ו-p-אורbital אחד יוצרים שני sp-orbitals היברידיים בזווית של 180 o.

איור 3אורביטלים היברידיים sp

נתוני ניסוי מראים שכל ההלידים Be, Zn, Cd ו-Hg(II) הם ליניאריים ושני הקשרים באותו אורך.

הכלאה sp 2

כתוצאה מהכלאה של s-orbital אחד ושני p-orbitals, נוצרים שלושה אורביטלים היברידיים sp 2, הממוקמים באותו מישור בזווית של 120° זה לזה. זוהי, למשל, התצורה של מולקולת BF 3:

איור.4הכלאה sp 2

הכלאה sp 3

הכלאה sp 3 אופיינית לתרכובות פחמן. כתוצאה מהכלאה של s-orbital אחד ושלושה

p-אורביטלים, נוצרים ארבעה sp 3 -אורביטלים היברידיים, המכוונים לקודקודי הטטרהדרון עם זווית בין האורביטלים של 109.5 o. הכלאה מתבטאת בהשקילות מוחלטת של הקשרים של אטום הפחמן עם אטומים אחרים בתרכובות, למשל ב-CH 4, CCl 4, C (CH 3) 4 וכו'.

איור.5הכלאה sp 3

אם כל האורביטלים ההיברידיים קשורים לאותם אטומים, אז הקשרים אינם שונים זה מזה. במקרים אחרים מתרחשות סטיות קטנות מזוויות קשר סטנדרטיות. לדוגמה, במולקולת מים H 2 O חמצן - sp 3 -hybrid, ממוקם במרכז טטרהדרון לא סדיר, שבקודקודיו "נראים" שני אטומי מימן ושני זוגות בודדים של אלקטרונים (איור 2). צורת המולקולה היא זוויתית, אם מסתכלים על מרכזי האטומים. זווית הקשר של HOH היא 105°, שזה די קרוב ל ערך תיאורטי 109 בערך.

איור 6 sp 3 הכלאה של אטומי חמצן וחנקן במולקולות א) H 2 O ו- b) NCl 3.

אם לא הייתה הכלאה ("יישור" אג"ח O-H), זווית הקשר HOH תהיה 90° מכיוון שאטומי המימן יהיו מחוברים לשני אורביטלים p מאונכים זה לזה. במקרה הזה, העולם שלנו כנראה היה נראה אחרת לגמרי.

תיאוריית ההכלאה מסבירה את הגיאומטריה של מולקולת האמוניה. כתוצאה מהכלאה של 2s ושלושה אורביטלי חנקן 2p, נוצרים ארבעה אורביטלים היברידיים sp 3. התצורה של המולקולה היא טטרהדרון מעוות, שבו שלושה אורביטלים היברידיים משתתפים ביצירת קשר כימי, והרביעי עם זוג אלקטרונים לא. זוויות ביניהן קשרי N-Hלא שווה ל-90 o כמו בפירמידה, אבל לא שווה ל-109.5 o, המקביל לטטרהדרון.

איור 7 sp 3 - הכלאה במולקולת האמוניה

כאשר אמוניה מקיימת אינטראקציה עם יון מימן, נוצר יון אמוניום כתוצאה מאינטראקציה של תורם-מקבל, שתצורתו היא טטרהדרון.

הכלאה מסבירה גם את ההבדל בזווית ביניהן אג"ח O-Hבמולקולת מים פינתית. כתוצאה מהכלאה של 2s ושלושה אורביטלי חמצן 2p, נוצרים ארבעה אורביטלים היברידיים sp 3, מתוכם רק שניים מעורבים ביצירת קשר כימי, מה שמוביל לעיוות של הזווית המקבילה לטטרהדרון.

איור.8הכלאה sp 3 במולקולת מים

הכלאה יכולה לכלול לא רק s-ו-p-, אלא גם d-ו-f-אורביטלים.

עם הכלאה sp 3 d 2, נוצרים 6 עננים שווים. זה נצפה בתרכובות כגון 4-, 4-. במקרה זה, למולקולה יש תצורה של אוקטהדרון:

אורז. 9 d 2 sp 3 -הכלאה ביון 4-

רעיונות על הכלאה מאפשרים להבין תכונות כאלה של מבנה מולקולות שלא ניתן להסבירן בדרך אחרת.

הכלאה של אורביטלים אטומיים (AO) מובילה להזזה של ענן האלקטרונים לכיוון היווצרות קשר עם אטומים אחרים. כתוצאה מכך, האזורים החופפים של אורביטלים היברידיים מתבררים כגדולים יותר מאשר עבור אורביטלים טהורים, וחוזק הקשר עולה.

הכלאה של מסלול אטומי הוא תהליך ההבנה כיצד אטומים משנים את האורביטלים שלהם כאשר הם יוצרים תרכובות. אז מהי הכלאה, ואילו סוגים שלה קיימים?

מאפיינים כלליים של הכלאה של אורביטלים אטומיים

הכלאה של מסלול אטומי הוא תהליך שבו אורביטלים שונים של האטום המרכזי מתערבבים, וכתוצאה מכך נוצרים אורביטלים בעלי אותם מאפיינים.

הכלאה מתרחשת במהלך היווצרות של קשר קוולנטי.

למסלול ההיברידי יש צורה של סימן אינסוף או דמות שמונה הפוכה א-סימטרית, המורחבת הרחק מגרעין האטום. צורה זו גורמת לחפיפה חזקה יותר של אורביטלים היברידיים עם אורביטלים (טהורים או היברידיים) של אטומים אחרים מאשר במקרה של אורביטלים אטומיים טהורים ומובילה ליצירת קשרים קוולנטיים חזקים יותר.

אורז. 1. מראה מסלול היברידי.

בפעם הראשונה, הרעיון של הכלאה של אורביטלים אטומיים הועלה על ידי המדען האמריקאי ל. פאולינג. הוא האמין שלאטום הנכנס לקשר כימי יש אורביטלים אטומיים שונים (s-, p-, d-, f-אורביטלים), ואז מתרחשת הכלאה של האורביטלים הללו כתוצאה מכך. מהות התהליך היא שאורביטלים אטומיים שווים זה לזה נוצרים מאורביטלים שונים.

סוגי הכלאה של אורביטלים אטומיים

ישנם מספר סוגים של הכלאה:

• . סוג זה של הכלאה מתרחש כאשר s-orbital אחד ו-p-orbital אחד מתערבבים. כתוצאה מכך, נוצרים שני אורביטלים מסוג sp מלאים. האורביטלים הללו ממוקמים לגרעין האטום בצורה כזו שהזווית ביניהם היא 180 מעלות.

אורז. 2. הכלאה sp.

• הכלאה sp2. סוג זה של הכלאה מתרחש כאשר s-orbital אחד ושני p-orbital מתערבבים. כתוצאה מכך נוצרים שלושה אורביטלים היברידיים, הממוקמים באותו מישור בזווית של 120 מעלות זה לזה.
• . סוג זה של הכלאה מתרחש כאשר s-orbital אחד ושלושה p-orbitals מתערבבים. כתוצאה מכך, נוצרים ארבעה אורביטלים sp3 מלאים. אורביטלים אלו מכוונים לראש הטטרהדרון וממוקמים בזווית של 109.28 מעלות זה לזה.

הכלאה sp3 אופיינית ליסודות רבים, למשל, אטום הפחמן וחומרים אחרים מקבוצת IVA (CH 4, SiH 4, SiF 4, GeH 4 וכו')

אורז. 3. הכלאה sp3.

יש גם עוד סוגים מורכביםהכלאה הכוללת ד-אורביטלים של אטומים.

מה למדנו?

הכלאה היא תהליך כימי מורכב כאשר אורביטלים שונים של אטום יוצרים את אותם אורביטלים היברידיים (שווים). הראשון שהשמיע את תיאוריית ההכלאה היה ל' פולינג האמריקאי. ישנם שלושה סוגים עיקריים של הכלאה: הכלאה sp, הכלאה sp2, הכלאה sp3. ישנם גם סוגים מורכבים יותר של הכלאה הכוללים ד-אורביטלים.

בעיה 261.
אילו סוגי הכלאה של פחמן AO תואמים להיווצרות מולקולות CH 4, C 2 H 6, C 2 H 4, C 2 H 2?
פִּתָרוֹן:
א) במולקולות CH 4 ו-C 2 H 6 שכבת האלקטרון הערכית של אטום פחמן מכילה ארבעה זוגות אלקטרונים s:

לכן, ענני האלקטרונים של אטום הפחמן במולקולות CH 4, C 2 H 6 יוסרו באופן מקסימלי זה מזה במהלך הכלאה של sp3, כאשר הצירים שלהם מכוונים לקודקודי הטטרהדרון. במקרה זה, במולקולת CH 4, כל קודקודי הטטרהדרון יהיו תפוסים על ידי אטומי מימן, כך שלמולקולת CH4 יש תצורה טטרהדרלית עם אטום פחמן במרכז הטטרהדרון. במולקולת C 2 H 6, אטומי מימן תופסים שלושה קודקודים של הטטרהדרון, וענן האלקטרונים המשותף של אטום פחמן אחר מופנה לקודקוד הרביעי, כלומר. שני אטומי פחמן מחוברים זה לזה. זה יכול להיות מיוצג על ידי דיאגרמות:

ב) במולקולת C 2 H 4, שכבת האלקטרון הערכית של אטום הפחמן, כמו במולקולות CH 4, C 2 H 6. מכיל ארבעה זוגות אלקטרונים:

במהלך היווצרות C 2 H 4 נוצרים שלושה קשרים קוולנטיים לפי המנגנון הרגיל, כלומר. הם - קישורים, ואחד - - קישור. כאשר נוצרת מולקולת C 2 H 4, כל אטום פחמן עם שני אטומי מימן - קשרים ואחד עם השני שני קשרים, אחד - ואחד - קשרים. עננים היברידיים המתאימים לסוג זה של הכלאה ממוקמים באטום הפחמן כך שהאינטראקציה בין אלקטרונים היא מינימלית, כלומר. הכי רחוק שאפשר. המיקום הזהאטומי פחמן (שני קשרים כפולים בין אטומי פחמן) אופייניים להכלאה sp 2 של פחמן AO. במהלך הכלאה sp 2, ענני אלקטרונים באטומי פחמן מכוונים לכיוונים השוכבים באותו מישור ויוצרים זוויות של 120 0 זה עם זה, כלומר. לכיוון העליון משולש ישר זווית. במולקולת האתילן, שלושה אורביטלים היברידיים sp 2 של כל אטום פחמן משתתפים ביצירת - קשרים, שניים בין שני אטומי מימן ואחד עם אטום הפחמן השני, וכן - הקשר נוצר עקב ענני ה-p-אלקטרון של כל אחד מהם. אטום פחמן. נוסחה מבניתמולקולות C 2 H 4 ייראו כך:

ג) במולקולת C 2 H 2, שכבת האלקטרון הערכית של אטום הפחמן מכילה ארבעה זוגות אלקטרונים:

לנוסחת המבנה C 2 N 2 יש את הצורה:

לכל אטום פחמן יש זוג אלקטרונים אחד עם אטום מימן ושלושה צמדי אלקטרונים עם אטום פחמן אחר. לפיכך, במולקולת אצטילן, אטומי פחמן מחוברים זה לזה על ידי קשר אחד ושני קשרים. כל אטום פחמן קשור למימן. שני SP-hybrid AOs מעורבים ביצירת קשרים -, הממוקמים זה ביחס לזה כך שהאינטראקציה ביניהם היא מינימלית, כלומר. הכי רחוק שאפשר. לכן, במהלך הכלאת sp, ענני אלקטרונים בין אטומי פחמן מכוונים בכיוונים מנוגדים זה לזה, כלומר. זווית בין אג"ח C-Cהוא 180 0 . לכן, למולקולת C 2 H 2 יש מבנה ליניארי:

בעיה 262.
ציין את סוג הכלאה של סיליקון AO במולקולות SiH 4 ו-SiF 4. האם המולקולות הללו קוטביות?
פִּתָרוֹן:
במולקולות SiH 4 ו-SiF 4, שכבת האלקטרון הערכית מכילה ארבעה זוגות של אלקטרונים:

לכן, בשני המקרים, ענני האלקטרונים של אטום הסיליקון יוסרו באופן מקסימלי זה מזה במהלך הכלאה sp 3, כאשר הצירים שלהם מכוונים לקודקודי הטטרהדרון. במקרה זה, במולקולת SiH 4, כל קודקודי הטטרהדרון תפוסים על ידי אטומי מימן, ובמולקולת SiF 4, על ידי אטומי פלואור, כך שלמולקולות אלו יש תצורה טטרהדרלית עם אטום סיליקון במרכז. אַרְבָּעוֹן:

במולקולות ה-Ttrahedral SiH 4 ו-SiF 4, מומנטי הדיפול של קשרי Si-H ו-Si-F מפצים זה את זה באופן הדדי, כך שסך כל המומנטים הדיפוליים של שתי המולקולות יהיה שווה לאפס. מולקולות אלו אינן קוטביות, למרות הקוטביות של קשרי Si-H ו-Si-F.

בעיה 263.
במולקולות SO 2 ו-SO 3, אטום הגופרית נמצא במצב של הכלאה sp 2. האם המולקולות הללו קוטביות? מה המבנה המרחבי שלהם?
פִּתָרוֹן:
במהלך הכלאה sp 2, עננים היברידיים ממוקמים באטום הגופרית בכיוונים השוכנים באותו מישור ויוצרים זוויות של 120 0 זה עם זה, כלומר. מכוון לקודקודים של משולש שווה צלעות.

א) במולקולת SO 2, שני AOs היברידיים sp 2 יוצרים קשר עם שני אטומי חמצן, המסלול ההיברידית sp 2 השלישי יהיה תפוס על ידי זוג אלקטרונים חופשי. זוג אלקטרונים זה יעביר את מישור האלקטרונים ומולקולת SO 2 תלבש צורה של משולש לא סדיר, כלומר. זווית ה-OSO לא תהיה שווה ל-120 0. לכן, למולקולת SO 2 תהיה צורה זוויתית עם הכלאה sp 2 של האורביטלים של האטום, המבנה:

במולקולת SO 2, פיצוי הדדי של רגעי דיפול אג"ח S-Oלא קורה; למומנט הדיפול של מולקולה כזו יהיה ערך גדול מאפס, כלומר. המולקולה היא קוטבית.

ב) במולקולת SO3 הפינתי, כל שלושת ה-sp2-hybrid AO יוצרים קשרים עם שלושה אטומי חמצן. למולקולת SO 3 תהיה צורה של משולש שטוח עם הכלאה sp 2 של אטום הגופרית:

במולקולת SO 3 משולשת, מומנטי הדיפול של קשרי S-O מפצים זה את זה, כך שסך המומנט של הדיפול יהיה אפס, המולקולה היא קוטבית.

משימה 264.
כאשר SiF4 יוצר אינטראקציה עם HF, נוצרת חומצה חזקה H 2 SiF 6, שמתפרקת ליונים H + ו- SiF 6 2-. האם התגובה בין CF 4 ל-HF יכולה להתנהל בצורה דומה? ציין את סוג ההכלאה של סיליקון AO ביון SiF 6 2-.
פִּתָרוֹן:
א) כשהוא נרגש, אטום הסיליקון עובר ממצב 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 למצב 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 4 3d 0, והמבנה האלקטרוני של אורביטלי הערכיות מתאים לתכנית :

ארבעה אלקטרונים לא מזווגים של אטום סיליקון נרגש יכולים להשתתף ביצירת ארבעה קשרים קוולנטיים לפי המנגנון הרגיל עם אטומי פלואור (1s 2 2s 2 2p 5) בעלי אלקטרון אחד לא מזווג כל אחד עם היווצרות של מולקולת SiF 4.

כאשר SiF 4 יוצר אינטראקציה עם HF, נוצרת חומצה H 2 SiF 6. זה אפשרי מכיוון שלמולקולת SiF 4 יש אורביטלים תלת מימדיים חופשיים, בעוד שליון F יש (1s 2 2s 2 2p 6) זוגות חופשיים של אלקטרונים. התקשורת מתבצעת לפי מנגנון התורם-המקבל עקב זוג אלקטרונים של כל אחד משני היונים F - (HF ↔ H + + F -) ואורביטלים 3d חופשיים של מולקולת SiF 4. במקרה זה, נוצר יון SiF 6 2-, אשר עם יונים H + יוצר מולקולת חומצה H 2 SiF 6.

ב) פחמן (1s 2 2s 2 2p 2) יכול ליצור, כמו סיליקון, תרכובת CF 4, אך אפשרויות הערכיות של אטום הפחמן ימוצו (אין אלקטרונים לא מזווגים, זוגות חופשיים של אלקטרונים ואורביטלים ערכיים חופשיים ב- רמת ערכיות). לתכנית המבנה של אורביטלי הערכיות של אטום פחמן נרגש יש את הצורה:

כאשר CF 4 נוצר, כל אורביטלי הערכיות של פחמן תפוסים, כך שלא ניתן להיווצר יון.

במולקולת SiF 4, שכבת האלקטרון הערכית של אטום הסיליקון מכילה ארבעה זוגות אלקטרונים:

אותו הדבר נצפה עבור מולקולת CF 4. לכן, בשני המקרים, ענני האלקטרונים של אטומי סיליקון ופחמן יוסרו באופן מקסימלי זה מזה במהלך הכלאה sp3. כאשר הצירים שלהם מכוונים לקודקודי הטטרהדרון:

שיטת קשרי הערכיות מאפשרת להסביר חזותית את המאפיינים המרחביים של מולקולות רבות. עם זאת, הרעיון הרגיל של צורות האורביטלים אינו מספיק כדי לענות על השאלה מדוע, אם לאטום המרכזי יש שונה - ס, ע, ד- אורביטלים ערכיים, הקשרים הנוצרים על ידו במולקולות עם אותם תחליפים מתגלים כשווים באנרגיה ובמאפיינים המרחביים שלהם. בשנות העשרים של המאה ה-19, לינוס פאולינג הציע את הרעיון של הכלאה של אורביטלים אלקטרונים. הכלאה מובנת כמודל מופשט של יישור של אורביטלים אטומיים בצורה ואנרגיה.

דוגמאות לצורת אורביטלים היברידיים מוצגות בטבלה 5.

טבלה 5. היברידי sp, sp 2 , sp 3 אורביטלים

המושג הכלאה נוח לשימוש כאשר מסבירים את הצורה הגיאומטרית של מולקולות ואת גודל זוויות הקשר (דוגמאות למשימות 2-5).

אלגוריתם לקביעת הגיאומטריה של מולקולות בשיטת VS:

א. קבע את האטום המרכזי ואת מספר קשרי σ עם אטומים סופיים.

ב. חבר תצורות אלקטרוניות של כל האטומים המרכיבים את המולקולה ודימויים גרפיים של רמות אלקטרוניות חיצוניות.

V. על פי עקרונות שיטת VS, היווצרות כל קשר דורשת זוג אלקטרונים, במקרה הכללי, אחד מכל אטום. אם אין מספיק אלקטרונים בלתי מזווגים עבור האטום המרכזי, יש להניח שהאטום מתרגש עם מעבר של אחד מצמד האלקטרונים לרמת אנרגיה גבוהה יותר.

ד. הצע את הצורך והסוג של הכלאה, תוך התחשבות בכל הקשרים, ולמרכיבי התקופה הראשונה, אלקטרונים לא מזווגים.

ה.התבסס על המסקנות לעיל, תאר את האורביטלים האלקטרוניים (היברידיים או לא) של כל האטומים במולקולה ואת החפיפה שלהם. עשה מסקנה לגבי הגיאומטריה של המולקולה והערך המשוער של זוויות הקשר.

ה. קבע את מידת הקוטביות של הקשר על סמך ערכי האלקטרושליליות של אטומים (טבלה 6) קבע את נוכחותו של מומנט דיפול על סמך מיקום מרכזי הכובד של המטענים החיוביים והשליליים ו/או הסימטריה של המולקולה.

טבלה 6. ערכי אלקטרוניקה של אלמנטים מסוימים על פי Pauling

דוגמאות למשימות

תרגיל 1. תאר את הקשר הכימי במולקולת CO בשיטת BC.

פתרון (איור 25)

א. חבר את התצורות האלקטרוניות של כל האטומים המרכיבים את המולקולה.

ב. כדי ליצור קשר, יש צורך ליצור זוגות אלקטרונים חברתיים

איור 25. סכימה של יצירת קשר במולקולת CO (ללא הכלאה של אורביטלים)

מסקנה: במולקולת CO קיים קשר משולש C≡O

עבור מולקולת CO, אנו יכולים להניח את הנוכחות sp-הכלאה של האורביטלים של שני האטומים (איור 26). אלקטרונים מזווגים שאינם משתתפים ביצירת הקשר מופעלים spמסלול היברידי.

איור 26. סכימה של יצירת קשר במולקולת CO (בהתחשב בהכלאה של אורביטלים)

משימה 2.בהתבסס על שיטת VS, הצע את המבנה המרחבי של מולקולת BeH 2 וקבע אם המולקולה היא דיפול.

פתרון הבעיה מוצג בטבלה 7.

טבלה 7. קביעת הגיאומטריה של מולקולת BeH 2

	תצורה אלקטרונית		הערות
א.			האטום המרכזי הוא בריליום. הוא צריך ליצור שני קשרי ϭ עם אטומי מימן
ב.	ח: 1 ס 1 להיות: 2 ס 2		לאטום המימן יש אלקטרון לא מזווג, לאטום הבריליום יש את כל האלקטרונים מזווגים, יש להעביר אותו למצב נרגש
V.	ח: 1 ס 1 להיות*: 2 ס 1 2ע 1		אם אטום מימן אחד נקשר לבריליום על חשבון 2 ס-אלקטרון של בריליום, והשני - עקב 2 ע-אלקטרון של בריליום, אז למולקולה לא תהיה סימטריה, שאינה מוצדקת מבחינה אנרגטית, וקשרי Be-H לא יהיו שווים.
ג.	ח: 1 ס 1 Be*: 2( sp) 2		יש להניח ששם sp- הכלאה
ד.			שתיים sp-אורביטלים היברידיים ממוקמים בזווית של 180 מעלות, מולקולת BeH 2 היא ליניארית
ה.		אלקטרונית השליליות χ H = 2.1, χ Be = 1.5, לכן הקשר הוא קוטבי קוולנטי, צפיפות האלקטרונים מוסטת לאטום המימן, מטען שלילי קטן δ– מופיע עליו. על אטום הבריליום δ+. מאז מרכזי הכובד של חיובי ו מטען שליליחופפים (זה סימטרי), המולקולה אינה דיפול.

נימוק דומה יעזור לתאר את הגיאומטריה של מולקולות עם sp 2 - ו sp 3 אורביטלים היברידיים (טבלה 8).

טבלה 8. גיאומטריה של מולקולות BF 3 ו-CH 4

משימה 3.בהתבסס על שיטת VS, הצע את המבנה המרחבי של מולקולת H 2 O וקבע אם המולקולה היא דיפול. ישנם שני פתרונות אפשריים, הם מוצגים בטבלאות 9 ו-10.

טבלה 9. קביעת הגיאומטריה של מולקולת H 2 O (ללא הכלאה מסלולית)

	תצורה אלקטרונית	תמונה גרפיתאורביטלים ברמה החיצונית	הערות
א.
ב.	ח: 1 ס 1O:2 ס 2 2ע 4
V.			יש מספיק אלקטרונים לא מזווגים כדי ליצור שני קשרי ϭ עם אטומי מימן.
ג.			ניתן להזניח הכלאה.
ד.
ה.

לפיכך, למולקולת מים חייבת להיות זווית קשר של כ-90°. עם זאת, הזווית בין קשרים היא בערך 104°.

ניתן להסביר זאת

1) דחייה של אטומי מימן מרווחים קרובים.

2) הכלאה של אורביטלים (טבלה 10).

טבלה 10. קביעת הגיאומטריה של מולקולת H 2 O (בהתחשב בהכלאה של אורביטלים)

	תצורה אלקטרונית	ייצוג גרפי של אורביטלים ברמה החיצונית	הערות
א.			האטום המרכזי הוא חמצן. הוא צריך ליצור שני קשרי ϭ עם אטומי מימן.
ב.	ח: 1 ס 1O:2 ס 2 2ע 4		לאטום המימן יש אלקטרון לא מזווג, לאטום החמצן יש שני אלקטרונים לא מזווגים.
V.			לאטום המימן יש אלקטרון לא מזווג, לאטום החמצן יש שני אלקטרונים לא מזווגים.
ג.			זווית של 104 מעלות מרמזת על הנוכחות sp 3 - הכלאה.
ד.			שתיים spאורביטלים 3-היברידיים ממוקמים בזווית של כ-109°, מולקולת H 2 O קרובה לטטרהדרון בצורתה, הירידה בזווית הקשר מוסברת על ידי השפעת זוג אלקטרונים שאינו מקשר.
ה.		אלקטרונית השליליות χ H = 2.1, χ O = 3.5, לכן הקשר הוא קוטבי קוולנטי, צפיפות האלקטרונים מוסטת לאטום החמצן, מופיע עליו מטען שלילי קטן 2δ– על אטום המימן δ+. מכיוון שמרכזי הכובד של המטען החיובי והשלילי אינם חופפים (הוא אינו סימטרי), המולקולה היא דיפול.

נימוק דומה מאפשר להסביר את זוויות הקשר במולקולת האמוניה NH 3 . הכלאה הכוללת צמדי אלקטרונים לא משותפים מניחים בדרך כלל רק עבור האורביטלים של אטומים של יסודות תקופה II. זוויות קשר במולקולות H 2 S = 92°, H 2 Se = 91°, H 2 Te = 89°. אותו הדבר נצפה בסדרות NH 3 , РH 3 , AsH 3 . כאשר מתארים את הגיאומטריה של מולקולות אלו, באופן מסורתי לא פונים למושג הכלאה או מסבירים את הירידה בזווית הטטרהדרלית בהשפעה הגוברת של הזוג הבודד.