Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

9.22: Гібридні орбіталі - sp³

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    19164

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Перспектива гілок знизу землі.
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): (Кредит: Priit Kallas (Вікімедіа: Pk2000); Джерело: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Perspective_branches.jpg(opens у новому вікні); Ліцензія: Громадське надбання)

    Ви впізнаєте цю рослину?

    Якби ми гуляли по пляжу, рослини, показані вище, виглядали б зовсім інакше. Вони були б короткими і стирчать з піску. Коли ми бачимо їх таким чином, ми можемо не відразу визнати їх пляжними рослинами. Часто нам потрібно по-різному дивитися на навколишній світ, щоб краще зрозуміти речі.

    Гібридні орбіталі - sp 3

    Схема зв'язку, описана теорією валентних зв'язків, повинна враховувати молекулярні геометрії, як передбачено теорією VSEPR. Для цього ми повинні ввести поняття гібридних орбіталів.

    \(sp^3\)гібридизація

    На жаль, перекриття існуючих атомних орбіталів (\(s\)тощо) недостатньо для пояснення деяких спостережуваних склеювальних та молекулярних геометрій.\(p\) Розглянемо елемент вуглецю і\(\left( \ce{CH_4} \right)\) молекулу метану. Атом вуглецю має електронну конфігурацію\(1s^2 \: 2s^2 \: 2p^2\), тобто він має два непарні електрони на своїх\(2p\) орбіталах, як показано на малюнку нижче.

    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Орбітальна конфігурація атома вуглецю. (Кредит: Joy Sheng; Джерело: CK-12 Foundation; Ліцензія: CC BY-NC 3.0 (відкривається в новому вікні))

    Згідно з описом теорії валентних зв'язків до цих пір, очікується, що вуглець утворює лише дві зв'язки, відповідні двом його непарним електронам. Однак метан - звичайна і стабільна молекула, з чотирма еквівалентними\(\ce{C-H}\) зв'язками. Для обліку цього один з\(2s\) електронів просувається на порожню\(2p\) орбіту (див. Малюнок нижче).

    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Просування вуглецевого\(s\) електрона до\(p\) порожньої орбіти. (Кредит: Joy Sheng; Джерело: CK-12 Foundation; Ліцензія: CC BY-NC 3.0 (відкривається в новому вікні))

    Тепер можливі чотири облігації. Просування електрона «обходиться» невеликою кількістю енергії, але нагадаємо, що процес утворення зв'язків супроводжується зниженням енергії. Дві додаткові зв'язки, які тепер можуть бути сформовані, призводять до меншої загальної енергії і, отже, більшої стійкості до\(\ce{CH_4}\) молекули. Вуглець зазвичай утворює чотири зв'язку в більшості своїх сполук.

    Кількість зв'язків тепер правильна, але геометрія неправильна. Три\(p\) орбіталі (\(p_x\)\(p_y\),, і\(p_z\)) орієнтовані\(90^\text{o}\) відносно один одного. Однак, як видно з теорії VSEPR,\(\ce{H-C-H}\) спостережуваний кут зв'язку в\(\ce{CH_4}\) тетраедричній молекулі насправді\(109.5^\text{o}\). Тому молекула метану не може бути адекватно представлена простим перекриттям\(2s\) і\(2p\) орбіталів вуглецю\(1s\) орбіталями кожного атома водню.

    Щоб пояснити зв'язок в метані, необхідно ввести поняття гібридизації і гібридних атомних орбіталів. Гібридизація - це змішування атомних орбіталів в атомі для отримання набору гібридних орбіталів. Коли відбувається гібридизація, вона повинна робити це в результаті змішування нееквівалентних орбіталів. Іншими словами,\(s\) і\(p\) орбіталі можуть гібридизувати, але\(p\) орбіталі не можуть гібридизувати з іншими\(p\) орбіталями. Гібридні орбіталі - це атомні орбіталі, отримані, коли дві або більше нееквівалентні орбіталі з одного атома об'єднуються в процесі підготовки до утворення зв'язків. У поточному випадку вуглецю одиночна\(2s\) орбітальна гібридизується з трьома\(2p\) орбіталями, утворюючи набір з чотирьох гібридних орбіталів, званих\(sp^3\) гібридами (див. Малюнок нижче).

    Малюнок\(\PageIndex{4}\): Вуглецеві\(sp^3\) гібридні орбіталі. (Кредит: Joy Sheng; Джерело: CK-12 Foundation; Ліцензія: CC BY-NC 3.0 (відкривається в новому вікні))

    Всі\(sp^3\) гібриди еквівалентні один одному. Просторово гібридні орбіталі вказують на чотири кути тетраедра (див. Малюнок нижче).

    Малюнок\(\PageIndex{5}\): Процес\(sp^3\) гібридизації полягає в змішуванні\(s\) орбіти з набором з трьох\(p\) орбіталей для формування набору з чотирьох\(sp^3\) гібридних орбіталей. Кожна велика частка гібридних орбіталей вказує на один кут тетраедра. Потім чотири частки кожної з\(sp^3\) гібридних орбіталей перекриваються нормальними негібридизованими\(1s\) орбіталями кожного атома водню, утворюючи тетраедричну молекулу метану. (Кредит: Jodi So; Джерело: CK-12 Foundation; Ліцензія: CC BY-NC 3.0 (відкривається в новому вікні))

    Резюме

    • Електрони гібридизуються з метою утворення ковалентних зв'язків.
    • Нееквівалентні орбіталі змішуються, утворюючи гібридні орбіталі.

    Рецензія

    • Чому очікується, що вуглець утворює лише дві ковалентні зв'язки?
    • Скільки ковалентних зв'язків насправді утворює вуглець?
    • Що повинно статися, щоб вуглець утворив чотири зв'язки?