Hybridizačný koncept

Koncepcia hybridizácie valenčných atómových orbitálov navrhol americký chemik Linus Pauling, aby odpovedal na otázku, prečo, ak má centrálny atóm rôzne (s, p, d) valenčné orbitály, väzby, ktoré tvorí v polyatomických molekulách s rovnakými ligandami, sa ukážu ako ekvivalentné svojou energiou a priestorové charakteristiky.

Koncepty hybridizácie sú ústredné pre metódu valenčných väzieb. Samotná hybridizácia nie je skutočný fyzikálny proces, ale iba pohodlný model, ktorý umožňuje vysvetliť elektrónovú štruktúru molekúl, najmä hypotetické modifikácie atómových orbitálov počas tvorby kovalentnej chemickej väzby, najmä zarovnanie dĺžok. chemických väzieb a väzbových uhlov v molekule.

Koncept hybridizácie bol úspešne aplikovaný na kvalitatívny popis jednoduchých molekúl, no neskôr bol rozšírený aj na zložitejšie. Na rozdiel od teórie molekulových orbitálov nie je striktne kvantitatívna, napríklad nedokáže predpovedať fotoelektrónové spektrá ani takých jednoduchých molekúl, ako je voda. V súčasnosti sa využíva najmä na metodologické účely a v syntetickej organickej chémii.

Tento princíp sa odráža v Gillespie-Nyholmovej teórii odpudzovania elektrónových párov. Prvý a väčšina dôležité pravidlo ktorý bol formulovaný takto:

"Elektrónové páry prijímajú usporiadanie na valenčnom obale atómu, v ktorom sú od seba čo najďalej, to znamená, že elektrónové páry sa správajú, ako keby sa navzájom odpudzovali."

Druhé pravidlo je, že „všetky elektrónové páry obsiahnuté vo valenčnom elektrónovom obale sa považujú za umiestnené v rovnakej vzdialenosti od jadra“.

Typy hybridizácie

sp hybridizácia

Vyskytuje sa, keď sa zmieša jedna s- a jedna p-orbitálna. Vytvárajú sa dva ekvivalentné sp-atómové orbitály, ktoré sú umiestnené lineárne pod uhlom 180 stupňov a smerujú rôznymi smermi od jadra atómu uhlíka. Dva zostávajúce nehybridné p-orbitály sú umiestnené vo vzájomne kolmých rovinách a podieľajú sa na tvorbe π väzieb alebo zaberajú osamelé páry elektrónov.

hybridizácia sp2

Vyskytuje sa, keď sa zmieša jeden s- a dva p-orbitály. Sú vytvorené tri hybridné orbitály s osami umiestnenými v rovnakej rovine a nasmerované k vrcholom trojuholníka pod uhlom 120 stupňov. Nehybridné p-atómový orbitál kolmá na rovinu a spravidla sa podieľa na tvorbe π väzieb

hybridizácia sp3

Vyskytuje sa, keď sa jeden s- a tri p-orbitály zmiešajú a vytvoria štyri sp3-hybridné orbitály rovnakého tvaru a energie. Môžu tvoriť štyri σ väzby s inými atómami alebo byť naplnené osamelými pármi elektrónov.

Osi sp3-hybridných orbitálov smerujú k vrcholom pravidelného štvorstenu. Tetraedrický uhol medzi nimi je 109°28", čo zodpovedá najnižšej energii odpudzovania elektrónov. Orbitály sp3 môžu tiež vytvárať štyri σ väzby s inými atómami alebo byť vyplnené osamelými pármi elektrónov.

Hybridizácia a molekulárna geometria

Koncept hybridizácie atómových orbitálov je základom Gillespie-Nyholmovej teórie odpudzovania elektrónových párov. Každý typ hybridizácie zodpovedá presne definovanej priestorovej orientácii hybridných orbitálov centrálneho atómu, čo umožňuje jeho použitie ako základ pre stereochemické koncepty v organická chémia.

V tabuľke sú uvedené príklady zhody medzi najbežnejšími typmi hybridizácie a geometrickou štruktúrou molekúl za predpokladu, že všetky hybridné orbitály sa podieľajú na tvorbe chemických väzieb (neexistujú žiadne osamelé elektrónové páry).

Typ hybridizácie	číslo hybridné orbitály	Geometria	Štruktúra	Príklady
sp	2	Lineárne		BeF2, CO2, NO2+
sp 2	3	Trojuholníkový		BF 3, NO 3 -, CO 3 2-
sp 3	4	Tetraedrický		CH4, Cl04-, SO42-, NH4+
dsp 2	4	Plochý štvorec		Ni(CO)4, XeF4
sp 3 d	5	Hexahedral		PCl5, AsF5
sp 3 d 2	6	Oktaedrický		SF 6, Fe(CN) 6 3-, CoF 6 3-

Odkazy

Literatúra

• Pauling L. Povaha chemickej väzby / Prekl. z angličtiny M. E. Dyatkina. Ed. Prednášal prof. Y. K. Syrkina. - M.; L.: Goskhimizdat, 1947. - 440 s.
• Pauling L. Všeobecná chémia. Za. z angličtiny - M.: Mir, 1974. - 846 s.
• Minkin V. I., Simkin B. Ya., Minyaev R. M. Teória molekulárnej štruktúry. - Rostov na Done: Phoenix, 1997. - S. 397-406. - ISBN 5-222-00106-7
• Gillespie R. Geometria molekúl / Prekl. z angličtiny E. Z. Zasorina a V. S. Mastryukov, ed. Yu.A. Pentina. - M.: Mir, 1975. - 278 s.

pozri tiež

Poznámky

Nadácia Wikimedia. 2010.

Hybridizácia atómových orbitálov a molekulárna geometria

Dôležitou charakteristikou molekuly pozostávajúcej z viac ako dvoch atómov je jej geometrická konfigurácia. Je to určené relatívnu polohu atómové orbitály podieľajúce sa na tvorbe chemických väzieb.

Prekrývanie elektrónových oblakov je možné len pri určitej relatívnej orientácii elektrónových oblakov; v tomto prípade je oblasť prekrytia umiestnená v určitom smere vzhľadom na interagujúce atómy.

Tabuľka 1 Hybridizácia orbitálov a priestorová konfigurácia molekúl

Excitovaný atóm berýlia má konfiguráciu 2s 1 2p 1, excitovaný atóm bóru má konfiguráciu 2s 1 2p 2 a excitovaný atóm uhlíka má konfiguráciu 2s 1 2p 3. Preto môžeme predpokladať, že na tvorbe chemických väzieb sa môžu podieľať nie rovnaké, ale rôzne atómové orbitály. Napríklad v zlúčeninách ako BeCl 2, BeCl 3, CCl 4 by mali byť väzby nerovnakej sily a smeru a σ-väzby z p-orbitálov by mali byť silnejšie ako väzby z s-orbitálov, pretože pre p-orbitály sú priaznivejšie podmienky pre prekrytie. Skúsenosti však ukazujú, že v molekulách obsahujúcich centrálne atómy s rôznymi valenčnými orbitálmi (s, p, d) sú všetky väzby ekvivalentné. Vysvetlenie pre to poskytli Slater a Pauling. Dospeli k záveru, že rôzne orbitály, ktorých energia sa veľmi nelíši, tvoria zodpovedajúci počet hybridných orbitálov. Hybridné (zmiešané) orbitaly vznikajú z rôznych atómových orbitálov. Počet hybridných orbitálov sa rovná počtu atómových orbitálov zapojených do hybridizácie. Hybridné orbitály sú identické v tvare elektrónového oblaku a energii. V porovnaní s atómovými orbitálmi sú predĺženejšie v smere tvorby chemických väzieb a preto poskytujú lepšie prekrytie elektrónových oblakov.

Hybridizácia atómových orbitálov vyžaduje energiu, takže hybridné orbitály v izolovanom atóme sú nestabilné a majú tendenciu premeniť sa na čisté AO. Keď sa vytvoria chemické väzby, hybridné orbitály sa stabilizujú. Vďaka silnejším väzbám tvoreným hybridnými orbitálmi sa zo systému uvoľňuje viac energie, a preto sa systém stáva stabilnejším.

sp-hybridizácia nastáva napríklad pri tvorbe halogenidov Be, Zn, Co a Hg (II). IN valenčný stav Všetky halogenidy kovov obsahujú s a p-nepárové elektróny na príslušnej energetickej úrovni. Keď sa vytvorí molekula, jeden s a jeden p orbitál tvoria dva hybridné sp orbitály pod uhlom 180 stupňov.

Obr.3 sp hybridné orbitály

Experimentálne údaje ukazujú, že halogenidy Be, Zn, Cd a Hg(II) sú lineárne a obe väzby majú rovnakú dĺžku.

hybridizácia sp2

V dôsledku hybridizácie jedného s-orbitalu a dvoch p-orbitálov vznikajú tri hybridné sp 2 orbitály umiestnené v rovnakej rovine pod uhlom 120 o. Toto je napríklad konfigurácia molekuly BF3:

Obr.4 hybridizácia sp2

hybridizácia sp3

hybridizácia sp 3 je charakteristická pre zlúčeniny uhlíka. Výsledkom hybridizácie jedného s orbitálu a troch

p-orbitály vznikajú štyri hybridné orbitály sp 3 smerujúce k vrcholom štvorstenu s uhlom medzi orbitálmi 109,5 o. Hybridizácia sa prejavuje v úplnej ekvivalencii väzieb atómu uhlíka s inými atómami v zlúčeninách, napríklad v CH 4, CCl 4, C(CH 3) 4 atď.

Obr.5 hybridizácia sp3

Ak sú všetky hybridné orbitály spojené s rovnakými atómami, potom sa väzby navzájom nelíšia. V iných prípadoch sa vyskytujú mierne odchýlky od štandardných uhlov väzby. Napríklad v molekule vody H 2 O, kyslík - sp 3 - hybrid, sa nachádza v strede nepravidelného štvorstenu, na vrcholy ktorého „pozerajú“ dva atómy vodíka a dva osamelé páry elektrónov (obr. 2). . Tvar molekuly je uhlový pri pohľade zo stredov atómov. Väzbový uhol HOH je 105°, čo je celkom blízko teoretická hodnota 109 o.

Obr.6 sp 3 - hybridizácia atómov kyslíka a dusíka v molekulách a) H 2 O a b) NCl 3.

Ak by nedošlo k hybridizácii („zarovnanie“ O-H väzby), väzbový uhol HOH by bol 90°, pretože atómy vodíka by boli pripojené k dvom navzájom kolmým orbitálom p. V tomto prípade by asi náš svet vyzeral úplne inak.

Teória hybridizácie vysvetľuje geometriu molekuly amoniaku. V dôsledku hybridizácie 2s a troch 2p orbitálov dusíka sa vytvoria štyri sp 3 hybridné orbitály. Konfigurácia molekuly je skreslený štvorsten, v ktorom sa na tvorbe chemickej väzby podieľajú tri hybridné orbitály, ale štvrtý s párom elektrónov nie. Uhly medzi NH väzby nie rovný 90° ako v pyramíde, ale tiež nie rovný 109,5°, čo zodpovedá štvorstenu.

Obr.7 sp 3 - hybridizácia v molekule amoniaku

Keď amoniak interaguje s vodíkovým iónom, v dôsledku interakcie donor-akceptor sa vytvorí amónny ión, ktorého konfigurácia je štvorsten.

Hybridizácia tiež vysvetľuje rozdiel medzi uhlami O-H pripojenia v rohovej molekule vody. V dôsledku hybridizácie 2s a troch 2p orbitálov kyslíka vznikajú štyri hybridné orbitály sp 3, z ktorých len dva sa podieľajú na tvorbe chemickej väzby, čo vedie k skresleniu uhla zodpovedajúceho štvorstenu. .

Obr.8 sp 3 hybridizácia v molekule vody

Hybridizácia môže zahŕňať nielen s- a p-orbitály, ale aj d- a f-orbitály.

Pri hybridizácii sp 3 d 2 sa vytvorí 6 ekvivalentných oblakov. Pozoruje sa v takých zlúčeninách ako 4-, 4-. V tomto prípade má molekula konfiguráciu oktaédra:

Ryža. 9 d 2 sp 3 -hybridizácia v ióne 4-

Myšlienky o hybridizácii umožňujú pochopiť také štruktúrne znaky molekúl, ktoré sa nedajú vysvetliť iným spôsobom.

Hybridizácia atómových orbitálov (AO) vedie k posunutiu elektrónového oblaku v smere vytvárania väzieb s inými atómami. Výsledkom je, že prekrývajúce sa oblasti hybridných orbitálov sú väčšie ako u čistých orbitálov a zvyšuje sa pevnosť väzby.

Atómová orbitálna hybridizácia je proces, ktorý nám umožňuje pochopiť, ako atómy modifikujú svoje orbitály pri vytváraní zlúčenín. Čo je teda hybridizácia a aké typy existujú?

Všeobecné charakteristiky hybridizácie atómových orbitálov

Atómová orbitálna hybridizácia je proces, pri ktorom sa zmiešajú rôzne orbitály centrálneho atómu, čo vedie k vytvoreniu orbitálov s rovnakými charakteristikami.

K hybridizácii dochádza pri tvorbe kovalentnej väzby.

Hybridný orbitál má pravdepodobnosť znamienka nekonečna alebo asymetrickej obrátenej osmičky, ktorá je predĺžená od atómového jadra. Táto forma spôsobuje silnejšie prekrývanie hybridných orbitálov s orbitálmi (čistými alebo hybridnými) iných atómov ako v prípade čistých atómových orbitálov a vedie k tvorbe silnejších kovalentných väzieb.

Ryža. 1. Hybridný orbitálny vzhľad.

Myšlienku hybridizácie atómových orbitálov prvýkrát predložil americký vedec L. Pauling. Veril, že atóm, ktorý vstupuje do chemickej väzby, má rôzne atómové orbitály (s-, p-, d-, f-orbitály), v dôsledku čoho dochádza k hybridizácii týchto orbitálov. Podstatou procesu je, že z rôznych orbitálov vznikajú navzájom ekvivalentné atómové orbitály.

Typy atómovej orbitálnej hybridizácie

Existuje niekoľko typov hybridizácie:

• . Tento typ hybridizácie nastáva, keď sa zmieša jeden orbitálny a jeden orbitálny p. V dôsledku toho sa vytvoria dva plnohodnotné sp orbitály. Tieto orbitály sú umiestnené smerom k atómovému jadru tak, že uhol medzi nimi je 180 stupňov.

Ryža. 2. sp-hybridizácia.

• hybridizácia sp2. Tento typ hybridizácie nastáva, keď sa zmieša jeden orbitál s a dva orbitály p. V dôsledku toho sa vytvoria tri hybridné orbitály, ktoré sú umiestnené v rovnakej rovine pod uhlom 120 stupňov.
• . Tento typ hybridizácie nastáva, keď sa zmieša jeden orbitál s a tri orbitály p. V dôsledku toho sa vytvoria štyri plnohodnotné orbitály sp3. Tieto orbitály sú nasmerované k vrcholu štvorstenu a sú navzájom umiestnené pod uhlom 109,28 stupňov.

Hybridizácia sp3 je charakteristická pre mnohé prvky, napríklad atóm uhlíka a ďalšie látky skupiny IV (CH 4, SiH 4, SiF 4, GeH 4 atď.)

Ryža. 3. hybridizácia sp3.

Možné sú aj ďalšie komplexné druhy hybridizácia zahŕňajúca d-orbitály atómov.

Čo sme sa naučili?

Hybridizácia je zložitý chemický proces, pri ktorom rôzne orbitály atómu vytvárajú identické (ekvivalentné) hybridné orbitály. Prvýkrát teóriu hybridizácie vyslovil Američan L. Pauling. Existujú tri hlavné typy hybridizácie: sp-hybridizácia, sp2-hybridizácia, sp3-hybridizácia. Existujú aj zložitejšie typy hybridizácie, ktoré zahŕňajú d orbitály.

Problém 261.
Aké typy hybridizácie uhlíka AO zodpovedajú tvorbe molekúl CH 4, C2H6, C2H4, C2H2?
Riešenie:
a) V molekulách CH 4 a C2H6 Vrstva valenčných elektrónov atómu uhlíka obsahuje štyri elektrónové páry s:

Preto budú elektrónové oblaky atómu uhlíka v molekulách CH 4 a C 2 H 6 od seba maximálne vzdialené pri hybridizácii sp3, keď ich osi smerujú k vrcholom štvorstenu. V tomto prípade budú v molekule CH4 všetky vrcholy štvorstenu obsadené atómami vodíka, takže molekula CH4 bude mať štvorstennú konfiguráciu s atómom uhlíka v strede štvorstenu. V molekule C 2 H 6 zaberajú atómy vodíka tri vrcholy štvorstenu a do štvrtého vrcholu smeruje spoločný elektrónový oblak ďalšieho atómu uhlíka, t.j. dva atómy uhlíka sú navzájom spojené. Dá sa to znázorniť pomocou diagramov:

b) V molekule C 2 H 4 je valenčná elektrónová vrstva atómu uhlíka ako v molekulách CH 4 a C 2 H 6. obsahuje štyri elektrónové páry:

Pri vzniku C 2 H 4 vznikajú tri kovalentné väzby podľa zaužívaného mechanizmu, t.j. sú - spojenia a jedno - - spojenie. Keď sa vytvorí molekula C 2 H 4, každý atóm uhlíka má dva atómy vodíka - väzby a dve väzby medzi sebou, jednu - a jednu - väzbu. Hybridné oblaky zodpovedajúce tomuto typu hybridizácie sa nachádzajú v atóme uhlíka tak, že interakcia medzi elektrónmi je minimálna, t.j. čo najďalej od seba. Toto miesto atómov uhlíka (dve dvojité väzby medzi atómami uhlíka) je charakteristická pre sp 2 hybridizáciu uhlíka AO. Počas hybridizácie sp 2 sú elektrónové oblaky v atómoch uhlíka orientované v smeroch ležiacich v rovnakej rovine a zvierajúcich medzi sebou uhly 120 0, t.j. smerom k vrcholom pravidelný trojuholník. V molekule etylénu sa na tvorbe väzieb - podieľajú tri sp 2 -hybridné orbitály každého atómu uhlíka, dva medzi dvoma atómami vodíka a jeden s druhým atómom uhlíka, a - väzba sa vytvára vďaka oblakom p-elektrónov každého atóm uhlíka. Štrukturálny vzorec molekuly C2H4 budú vyzerať takto:

c) V molekule C2H2 obsahuje valenčná elektrónová vrstva atómu uhlíka štyri elektrónové páry:

Štruktúrny vzorec C2N2 je:

Každý atóm uhlíka je spojený jedným elektrónovým párom s atómom vodíka a tromi elektrónovými pármi s iným atómom uhlíka. V molekule acetylénu sú teda atómy uhlíka navzájom spojené jednou väzbou a dvoma väzbami. Každý atóm uhlíka je spojený s vodíkom väzbou -. Na tvorbe - väzieb sa podieľajú dva sp-hybridné AO, ktoré sú umiestnené voči sebe tak, že interakcia medzi nimi je minimálna, t.j. čo najďalej od seba. Preto sú pri sp-hybridizácii elektrónové oblaky medzi atómami uhlíka navzájom orientované v opačných smeroch, t.j. uhol medzi C-C spojenia je 180 0. Preto má molekula C2H2 lineárnu štruktúru:

Problém 262.
Uveďte typ hybridizácie kremíka AO v molekulách SiH 4 a SiF 4. Sú tieto molekuly polárne?
Riešenie:
V molekulách SiH 4 a SiF 4 obsahuje valenčná elektrónová vrstva štyri páry elektrónov:

Preto v oboch prípadoch budú elektrónové oblaky atómu kremíka od seba maximálne vzdialené počas hybridizácie sp 3, keď ich osi smerujú k vrcholom štvorstenu. Okrem toho v molekule SiH4 sú všetky vrcholy štvorstenu obsadené atómami vodíka a v molekule SiF4 atómami fluóru, takže tieto molekuly majú tetraedrickú konfiguráciu s atómom kremíka v strede štvorstenu:

V tetraedrických molekulách SiH 4 a SiF 4 sa dipólové momenty väzieb Si-H a Si-F navzájom rušia, takže celkové dipólové momenty oboch molekúl budú rovné nule. Tieto molekuly sú nepolárne, napriek polarite väzieb Si-H a Si-F.

Problém 263.
V molekulách SO 2 a SO 3 je atóm síry v stave hybridizácie sp2. Sú tieto molekuly polárne? Aká je ich priestorová štruktúra?
Riešenie:
Počas hybridizácie sp 2 sa hybridné oblaky nachádzajú v atóme síry v smeroch ležiacich v rovnakej rovine a zvierajú medzi sebou uhly 120°, t.j. smeruje k vrcholom pravidelného trojuholníka.

a) V molekule SO 2 vytvoria dva sp 2 -hybridné AO väzbu s dvoma atómami kyslíka, tretí sp 2 -hybridný orbitál bude obsadený voľným elektrónovým párom. Tento elektrónový pár posunie elektrónovú rovinu a molekula SO 2 nadobudne tvar nepravidelného trojuholníka, t.j. uhol OSO sa nebude rovnať 120 0. Preto bude mať molekula SO2 uhlový tvar s hybridizáciou atómových orbitálov sp2, štruktúru:

V molekule SO 2 vzájomná kompenzácia dipólových momentov S-O pripojenia nedeje sa; dipólový moment takejto molekuly bude mať hodnotu väčšiu ako nula, t.j. molekula je polárna.

b) V rohovej molekule SO 3 všetky tri sp2-hybridné AO tvoria väzbu s tromi atómami kyslíka. Molekula SO3 bude mať tvar plochého trojuholníka s sp2 hybridizáciou atómu síry:

V trojuholníkovej molekule SO 3 sa dipólové momenty väzieb S-O navzájom rušia, takže celkový dipólový moment bude nulový, molekula je polárna.

Problém 264.
Pri interakcii SiF4 s HF vzniká silná kyselina H 2 SiF 6, ktorá sa disociuje na ióny H + a SiF 6 2-. Môže reakcia medzi CF 4 a HF prebiehať podobným spôsobom? Uveďte typ hybridizácie kremíka AO v ióne SiF 6 2-.
Riešenie:
a) Pri excitácii atóm kremíka prechádza zo stavu 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 do stavu 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 4 3d 0 a elektrónová štruktúra valenčných orbitálov zodpovedá schéme :

Štyri nepárové elektróny excitovaného atómu kremíka sa môžu podieľať na tvorbe štyroch kovalentných väzieb podľa obvyklého mechanizmu s atómami fluóru (1s 2 2s 2 2p 5), z ktorých každý má jeden nespárovaný elektrón, za vzniku molekuly SiF 4.

Keď SiF4 interaguje s HF, vytvorí sa kyselina H2SiF6. Je to možné, pretože molekula SiF 4 má voľné 3d orbitály a ión F- (1s 2 2s 2 2p 6) má voľné elektrónové páry. Spojenie sa uskutočňuje podľa mechanizmu donor-akceptor v dôsledku páru elektrónov z každého z dvoch iónov F ​​- (HF ↔ H + + F -) a voľných 3d orbitálov molekuly SiF 4 . V tomto prípade vzniká ión SiF 6 2-, ktorý s iónmi H + tvorí molekulu kyseliny H 2 SiF 6.

b) Uhlík (1s 2 2s 2 2p 2) môže tvoriť podobne ako kremík zlúčeninu CF 4, ale valenčné schopnosti atómu uhlíka budú vyčerpané (neexistujú žiadne nepárové elektróny, voľné páry elektrónov a voľné valenčné orbitály na valenčná úroveň). Štruktúrny diagram valenčných orbitálov excitovaného atómu uhlíka má tvar:

Pri vzniku CF 4 sú obsadené všetky valenčné orbitály uhlíka, takže nemôže vzniknúť ión.

V molekule SiF4 obsahuje valenčná elektrónová vrstva atómu kremíka štyri páry elektrónov:

To isté sa pozoruje pre molekulu CF4. preto v oboch prípadoch budú elektrónové oblaky atómov kremíka a uhlíka počas hybridizácie sp3 od seba čo najďalej. Keď sú ich osi nasmerované na vrcholy štvorstenu:

Metóda valenčnej väzby umožňuje jasne vysvetliť priestorové charakteristiky mnohých molekúl. Obvyklá predstava o tvaroch orbitálov však nestačí na zodpovedanie otázky prečo, ak má centrálny atóm iný - s, p, d– valenčné orbitály, ním vytvorené väzby v molekulách s identickými substituentmi sa ukazujú ako ekvivalentné v ich energetických a priestorových charakteristikách. V dvadsiatych rokoch 19. storočia Linus Pauling navrhol koncepciu hybridizácie elektrónových orbitálov. Hybridizácia je abstraktný model usporiadania atómových orbitálov v tvare a energii.

Príklady hybridných orbitálnych tvarov sú uvedené v tabuľke 5.

Tabuľka 5. Hybrid sp, sp 2 , sp 3 orbitály

Koncept hybridizácie je vhodné použiť pri vysvetľovaní geometrického tvaru molekúl a veľkosti väzbových uhlov (príklady úloh 2–5).

Algoritmus na určenie geometrie molekúl metódou BC:

A. Určte centrálny atóm a počet σ-väzieb s koncovými atómami.

b. Zostavte elektronické konfigurácie všetkých atómov, ktoré tvoria molekulu, a grafické obrázky vonkajších elektronických úrovní.

V. Podľa princípov metódy BC si vytvorenie každej väzby vyžaduje pár elektrónov, vo všeobecnom prípade jeden z každého atómu. Ak pre centrálny atóm nie je dostatok nepárových elektrónov, treba predpokladať excitáciu atómu s prechodom jedného z páru elektrónov na vyššiu energetickú hladinu.

d) Predpokladajme potrebu a typ hybridizácie, berúc do úvahy všetky väzby a pre prvky prvej periódy nepárové elektróny.

e) Na základe vyššie uvedených záverov nakreslite elektronické orbitály (hybridné alebo nie) všetkých atómov v molekule a ich prekrytie. Urobte záver o geometrii molekuly a približnej hodnote väzbových uhlov.

f. Určte stupeň polarity väzby na základe hodnôt elektronegativity atómov (tabuľka 6) Určte prítomnosť dipólového momentu na základe umiestnenia ťažísk kladných a záporných nábojov a/alebo symetrie molekuly .

Tabuľka 6. Hodnoty elektronegativity niektorých prvkov podľa Paulinga

Príklady úloh

Cvičenie 1. Opíšte chemickú väzbu v molekule CO pomocou metódy BC.

Riešenie (obr. 25)

A. Zostavte elektronické konfigurácie všetkých atómov, ktoré tvoria molekulu.

b. Na vytvorenie väzby je potrebné vytvoriť socializované elektrónové páry

Obrázok 25. Schéma tvorby väzby v molekule CO (bez orbitálnej hybridizácie)

Záver: V molekule CO je trojitá väzba C≡O

Pre molekulu CO môžeme predpokladať prítomnosť sp-hybridizácia orbitálov oboch atómov (obr. 26). Párové elektróny, ktoré sa nezúčastňujú na tvorbe väzby, sú umiestnené na sp-hybridný orbitál.

Obrázok 26. Schéma tvorby väzby v molekule CO (s prihliadnutím na hybridizáciu orbitálov)

Úloha 2. Na základe metódy BC predpokladajte priestorovú štruktúru molekuly BeH 2 a určite, či ide o dipól.

Riešenie problému je uvedené v tabuľke 7.

Tabuľka 7. Určenie geometrie molekuly BeH2

	Elektronická konfigurácia		Poznámky
A.			Centrálnym atómom je berýlium. Musí vytvoriť dve ϭ-väzby s atómami vodíka
b.	H: 1 s 1 Buď: 2 s 2		Atóm vodíka má nepárový elektrón, atóm berýlia má všetky elektróny spárované, musí sa preniesť do excitovaného stavu
V.	H: 1 s 1 Be*: 2 s 1 2p 1		Ak je jeden atóm vodíka viazaný s berýliom v dôsledku 2 s-elektrón berýlia a druhý - kvôli 2 p-elektrón berýlia, potom by molekula nemala symetriu, čo nie je energeticky opodstatnené, a väzby Be–H by neboli ekvivalentné.
G.	H: 1 s 1 Be*: 2( sp) 2		Malo by sa predpokladať, že existuje sp-hybridizácia
d.			Dva sp-hybridné orbitály sú umiestnené pod uhlom 180°, molekula BeH 2 je lineárna
e.		Elektronegativita χ H = 2,1, χ Be = 1,5, preto je väzba kovalentná polárna, hustota elektrónov je posunutá k atómu vodíka, objaví sa na nej malý záporný náboj δ–. Na atóme berýlia δ+. Keďže ťažiská kladných a záporný náboj sa zhodujú (je symetrické), molekula nie je dipól.

Podobné úvahy pomôžu opísať geometriu molekúl s sp 2 - a sp 3-hybridné orbitály (tabuľka 8).

Tabuľka 8. Geometria molekúl BF3 a CH4

Úloha 3. Na základe metódy BC predpokladajte priestorovú štruktúru molekuly H 2 O a určte, či ide o dipól. Existujú dve možné riešenia, sú uvedené v tabuľkách 9 a 10.

Tabuľka 9. Určenie geometrie molekuly H 2 O (bez orbitálnej hybridizácie)

	Elektronická konfigurácia	Grafický obrázok orbitály vonkajšej úrovne	Poznámky
A.
b.	H: 1 s 1 O: 2 s 2 2p 4
V.			Existuje dostatok nepárových elektrónov na vytvorenie dvoch väzieb ϭ s atómami vodíka.
G.			Hybridizáciu možno zanedbať
d.
e.

Molekula vody by teda mala mať väzbový uhol približne 90°. Uhol medzi väzbami je však približne 104°.

To sa dá vysvetliť

1) odpudzovanie atómov vodíka umiestnených blízko seba.

2) Hybridizácia orbitálov (tabuľka 10).

Tabuľka 10. Určenie geometrie molekuly H 2 O (s prihliadnutím na hybridizáciu orbitálov)

	Elektronická konfigurácia	Grafické znázornenie orbitálov vonkajšej úrovne	Poznámky
A.			Centrálnym atómom je kyslík. Musí vytvoriť dve väzby ϭ s atómami vodíka.
b.	H: 1 s 1 O: 2 s 2 2p 4		Atóm vodíka má nepárový elektrón a atóm kyslíka má dva nepárové elektróny.
V.			Atóm vodíka má nepárový elektrón a atóm kyslíka má dva nepárové elektróny.
G.			Uhol 104° naznačuje prítomnosť sp 3-hybridizácia.
d.			Dva sp 3-hybridné orbitály sú umiestnené pod uhlom približne 109°, molekula H 2 O je tvarom blízka štvorstenu, zmenšenie väzbového uhla sa vysvetľuje vplyvom elektrónového neväzbového páru.
e.		Elektronegativita χ Н = 2,1, χ О = 3,5, preto je väzba kovalentná polárna, hustota elektrónov je posunutá k atómu kyslíka, objaví sa na nej malý záporný náboj 2δ– Na atóme vodíka δ+. Keďže ťažisko kladného a záporného náboja sa nezhoduje (nie je symetrické), molekula je dipól.

Podobné úvahy umožňujú vysvetliť väzbové uhly v molekule amoniaku NH3. Hybridizácia zahŕňajúca osamelé elektrónové páry sa zvyčajne predpokladá len pre orbitály atómov prvkov obdobia II. Väzbové uhly v molekulách H 2 S = 92°, H 2 Se = 91°, H 2 Te = 89°. To isté sa pozoruje v sérii NH 3, РH 3, AsH 3. Pri opise geometrie týchto molekúl sa tradične buď neuchýli ku konceptu hybridizácie, alebo vysvetľujú zmenšenie tetraedrického uhla rastúcim vplyvom osamelého páru.