Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

6.4: Відштовхування електронів та кути зв'язку. Орбітальна гібридизація

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    106324

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

    Прогнозуючи кути зв'язку в малих молекулах, ми виявляємо, що ми можемо багато чого зробити з простою ідеєю, що на відміну від зарядів виробляють привабливі сили, тоді як подібні заряди виробляють сили відштовхування. У нас будуть електронно-ядерні атракціони, електронно-електронні відбиття та ядерно-ядрові відбиття. Розглянемо спочатку випадок молекули лише з двома електронно-парними зв'язками, як можна було очікувати, що буде утворена комбінацією берилію та водню для отримання гідриду берилію\(H:Be:H\). Завдання буде полягати в тому, як сформулювати зв'язки і як передбачити, який\(H-Be-H\) кут\(\theta\), буде:

    B E пов'язаний з двома водневими речовинами. Символ тета знаходиться нижче атома B E і між воднем зі стрілками, що йдуть до кожного водню. Тета дорівнює H одиночному зв'язку B E єдиного зв'язку H кута зв'язку.
    Малюнок 6-5):

    Два кола, що представляють атоми трохи перекриваються. Лівий атом невеликий і являє собою атом водню. Позначені (1 с) до першого. Правий атом великий і являє собою атом B E. Позначені (2 с) до першого.

    Ми могли б сформулювати другий\(\sigma\) зв'язок за участю\(2p\) орбіти, але виникає нова проблема щодо того, де водень повинен розташовуватися відносно орбіти берилію. Це як в\(2\)\(3\), або якимось іншим способом?

    Два сценарії склеювання. Лівий сценарій позначений 2 і правий сценарій з позначкою 3. 2: B E атом з двома колами, що виходять з кожного боку, що представляють електрони в 2 р до першої орбіти. Менше коло, що представляє атом водню в орбіталі 1 s, перекривається правою стороною правого електрона атома B E. Область перекриття затінена сірим кольором. 3: Той самий атом B E з малюнка 2. На цей раз атом водню пов'язаний з вершиною правого електрона атома B E.

    \(H\)Ядра\(Be\) і будуть далі один від одного,\(2\) ніж вони будуть в\(3\) або будь-якому іншому подібному розташуванні, тому буде менше міжядерного відштовхування\(2\). Тому ми очікуємо, що водень буде розташовуватися вздовж лінії, що проходить через найбільше розширення\(2p\) орбіти.

    Згідно з цією простою картиною, гідрид берилію повинен мати два різних типи\(H-Be\) зв'язків - одну як в\(1\), а іншу як в\(2\). Це інтуїтивно нерозумно для такого простого з'єднання. Крім того, кут\(H-Be-H\) зв'язку не визначений цією картиною, оскільки\(2s\)\(Be\) орбіталь сферично симетрична і може однаково добре утворювати зв'язки в будь-якому напрямку.

    Однак якщо забути про орбіталі і розглянути лише можливі відбиття між електронними парами та між ядрами водню, ми можемо побачити, що ці відбиття будуть зведені до мінімуму, коли кут\(H-Be-H\) зв'язку буде\(180^\text{o}\). При цьому розташування\(5\) повинно бути більш вигідним\(4\), ніж, з\(H-Be-H\) кутом менше\(180^\text{o}\):

    Два різних механізми склеювання для молекули B E H 2. Облігації представлені пунктирними лініями. Зліва позначено 4: Два водню пов'язані з атомом B E під кутом. Лівий водень вказує по діагоналі вниз і вліво і вправо водневі точки по діагоналі вниз і вправо. Праворуч позначено 5: Водень відповідає атому B E. Лівий водень вказує безпосередньо на ліву та праву водневі точки безпосередньо праворуч, щоб розташувати по прямій лінії (без кута зв'язку).

    На жаль, ми не можемо перевірити цей конкретний кут зв'язку експериментом, оскільки\(BeH_2\) він нестабільний і реагує з собою, щоб дати високомолекулярну тверду речовину. Однак ряд інших сполук, таких як,\(\left( CH_3 \right)_2 Be\),, і\(BeCl_2\)\(\left( CH_3 \right)_2 Hg\)\(\left( CH_3 \right)_2 Zn\), відомо\(HgF_2\), мають\(\sigma\) зв'язки за участю\(\left( s \right)^1 \left( p \right)^1\) валентних станів. Вимірювання кутів зв'язку на металі цих речовин в пароподібному стані показали, що вони є рівномірними\(180^\text{o}\).

    Малюнок 6-7: Представлення відносних розмірів\(2s\) і\(2p\) орбіталей

    Як\(s\) і\(p\) орбіталі розгорнуті в цьому виді склеювання? Виходить, що більш міцні зв'язки утворюються при високому ступені перекриття орбіталей. Ступінь перекриття буде залежати від розмірів орбіти і, зокрема, від того, наскільки далеко вони відходять від ядра. На малюнку 6-7 показано, наскільки далеко\(2s\) і\(2p\) орбіталі простягаються відносно один одного. Зв'язування з цими орбіталями, як у,\(1\) і\(2\) не використовує перекривається потужність орбіталів в повній мірі. З\(1\) нами є перекриття, яке використовує тільки частина\(2s\) орбіти\(2\), а з, тільки частина\(2p\) орбіти. Молекули, такі як,\(BeH_2\) можуть бути сформульовані з кращим перекриттям та еквівалентними зв'язками за допомогою концепції орбітальної гібридизації. Ця концепція, опублікована незалежно Л.Паулінгом та Дж. Слейтером у 1931 році, передбачає визначення того, які (якщо такі є) комбінації\(s\) та\(p\) орбіталів можуть краще перекриватися та створювати більш ефективні зв'язки, ніж окремі\(s\) та\(p\) орбіталі. Математична процедура орбітальної гібридизації передбачає, що\(s\) і\(p\) орбіталь одного атома можуть утворювати дві сильніші ковалентні зв'язки, якщо вони об'єднаються, утворюючи дві нові орбіталі, звані \(sp\)-гібридизованими орбіталями (рис. 6-8). Кожна\(sp\) -гібридна орбітальна має потужність перекриття 1.93, порівняно з чистою\(s\) орбіталлю, прийнятою як єдність, і чистою\(p\) орбіталлю як 1.73. Кути зв'язку\(180^\text{o}\) очікуються для зв'язків з атомом за допомогою\(sp\) -гібридних орбіталів, і, звичайно, це також кут, який ми очікуємо на основі нашого розгляду мінімальних електронно-парних і міжядерних відштовхувань. Відтепер ми будемо виходити з того, що молекули типу\(X:M:X\) можуть утворювати\(sp\) -гібридні зв'язки.

    Малюнок 6-8: Діаграма двох\(sp\) гібридних орбіталей, що складаються з\(s\) орбіти і\(p\) орбіти. Одна з орбіталей (суцільна лінія) має своє найбільше розширення в плюсовому\(x\) напрямку, тоді як інша орбітальна (пунктирна лінія) має своє найбільше розширення в мінус\(x\) напрямку. Облігації, що використовують обидві ці\(sp\) орбіталі, утворюються під кутом\(180^\text{o}\).

    На основі відштовхування між парами електронів і між ядрами, такі молекули\(BH_3\), як\(B \left( CH_3 \right)_3\),\(BF_3\),, і\(AlCl_3\), в яких центральний атом утворює три ковалентні зв'язку за допомогою електронної конфігурації валентного стану

    \(\left( s \right)^1 \left( p_x \right)^1 \left( p_y \right)^1\), як очікується, будуть плоскі з кутами зв'язку\(120^\text{o}\). Наприклад,

    Бром з трьома метилзамінниками. Один йде прямо вгору, один йде по діагоналі вліво і вниз і один йде по діагоналі вправо і вниз. Стрілки вказують кут 120 градусів між кожним зв'язком.
    Малюнок 6-9). Ці\(sp^2\) орбіталі мають свої осі в загальній площині і знаходяться одна\(120^\text{o}\) до одної. Прогнозована потужність перекриття - 1,99.
    Малюнок 6-9: Діаграма трьох\(sp^2\) гібридних орбіталей, виконаних з\(s\) орбіти,\(p_x\) орбіти та\(p_y\) орбіти. Кожна орбітальна показана різним типом лінії.

    З атомами, такими як вуглець і кремній, електронна конфігурація валентного стану для утворення чотирьох ковалентних зв'язків повинна бути\(\left( s \right)^1 \left( p_x \right)^1 \left( p_y \right)^1 \left( p_z \right)^1\). Відштовхування між парами електронів і між приєднаними ядрами буде зведено до мінімуму утворенням чотиригранного розташування зв'язків. така ж геометрія прогнозується від гібридизації однієї однієї\(s\) і трьох\(p\) орбіталей, що дає чотири \(sp^3\)-гібридні орбіталі спрямовані під кутами один\(109.5^\text{o}\) до одного. Прогнозована відносна потужність перекриття\(sp^3\) -гібридних орбіталей становить 2,00 (рис. 6-10).

     

    Малюнок 6-10: Схема\(sp^3\) гібридних орбіталей

    Автори та авторства

    Template:ContribRoberts