Понятие гибридизации атомных орбиталей

Что значит гибридизация орбиталей

В этом процессе валентные электроны на самом внешнем энергетическом уровне атома перераспределяются, образуя гибридные орбитали со специфическим пространственным расположением, которое позволяет оптимально связываться с другими атомами. Они образуются путем смешивания различных типов орбиталей, таких как s, p и d-орбитали, и их объединения с образованием новых орбиталей с различными формами и энергиями. Она влияет на то, как атом участвует в химической связи. Образующиеся гибридные орбитали имеют другую форму и ориентацию, чем исходные атомные орбитали, что позволяет более эффективно перекрываться с другими атомными орбиталями в ковалентной связи.

Данная концепция полезна в науке для понимания связи и геометрии молекул, поскольку она позволяет нам предсказывать строение молекул и типы связей, которые они образуют, на основе гибридизации соответствующих атомов.

Виды и типы

Существует несколько типов гибридизации:

1. sp: Это происходит, когда одна s- и одна p орбитали с одного энергетического уровня объединяются, образуя две новые — с линейным расположением. Этот тип гибридизации встречается в таких молекулах, как ацетилен (C2H2) и монооксид углерода (CO).
2. sp2: когда одна s- и две p-орбитали с одного энергетического уровня объединяются, образуя три новых гибрида с тригонально-плоскостным расположением. Этот тип встречается в молекулах этилена (C2H4) и формальдегида (CH2O).
3. sp3: когда одна s-и три p-орбитали с одного энергетического уровня объединяются, образуя четыре новых гибрида с тетраэдрическим расположением. Этот тип встречается в таких молекулах, как метан (CH4) и этан (C2H6).
4. sp3d: когда одна s-, три p- и одна d орбитали с одного энергетического уровня объединяются, образуя пять новых гибридов с тригональным бипирамидальным расположением. Этот тип встречается в таких молекулах, как пентахлорид фосфора (PCl5) и гексафторид серы (SF6).
5. sp3d2: когда одна s-, три p-и две d-орбитали с одного энергетического уровня объединяются, образуя шесть новых орбиталей с октаэдрическим расположением. Этот тип встречается в таких молекулах, как гексафторид ксенона (XeF6) и гексафторид серы (SF6).

Эти различные типы позволяют формировать широкий спектр молекулярных геометрий и схем химической связи и имеют важное значение для понимания поведения молекул в химии.

Как определить

Чтобы определить гибридизацию атома в молекуле, можно выполнить следующие общие действия:

1. Определите геометрию молекулы: Посмотрите на структуру Льюиса или ее молекулярную модель. Геометрия молекулы поможет вам определить тип гибридизации, которой подвергается центральный атом.
2. Подсчитайте количество электронных пар (как связанных, так и несвязанных) вокруг центрального атома.
3. Определите количество гибридных орбиталей: оно будет соответствовать числу электронных пар вокруг центрального атома.
4. На основании числа образованных орбиталей можно определить вид гибридизации: sp, sp2, sp3, sp3d или sp3d2.

Например, возьмем молекулу метана (CH4):

1. Молекулярная геометрия метана тетраэдрическая, с атомом углерода в центре и четырьмя атомами водорода по углам.
2. Вокруг атома углерода в метане имеется четыре пары электронов, все из которых являются парами связи.
3. Чтобы образовать четыре связи, атом углерода подвергается гибридизации sp3, образуя четыре новые орбитали с тетраэдрическим расположением.

Таким образом, гибридизация атома углерода в метане — sp3.

Важно отметить, что на результат могут влиять другие факторы, такие как одинокие пары электронов и резонанс, которые могут изменить ожидаемую гибридизацию.

Примеры

Данный процесс играет ключевую роль в понимании связи и геометрии органических соединений. Вот несколько примеров того, как можно определить гибридизацию атомов в различных молекулах:

Вода (H2O)
Молекулярная геометрия воды изогнутая или V-образная, с атомом кислорода в центре и двумя атомами водорода, связанными с ним.

Вокруг атома кислорода расположены четыре пары электронов, две из которых являются одинокими парами, не связанными между собой.
Чтобы образовать две связи, атом кислорода подвергается sp3, образуя четыре новые орбитали с тетраэдрическим расположением.
Однако только две из этих гибридных орбиталей используются для образования связей с двумя атомами водорода, а две другие гибридные орбитали содержат одинокие пары электронов.
Поэтому гибридизация атома кислорода в воде — sp3.

Этилен (C2H4)
Молекулярная геометрия этилена планарная, два атома углерода соединены друг с другом двойными связями, а четыре атома водорода связаны с каждым атомом углерода.

Вокруг каждого атома углерода имеется три пары электронов, две из которых являются связующими парами.
Чтобы образовать две двойные связи, каждый атом углерода подвергается sp2, образуя три новые орбитали с тригонально-плоскостным расположением.
Поэтому ответ — sp2.

Аммиак (NH3)
Молекулярная геометрия аммиака тригонально-пирамидальная, с атомом азота в центре и тремя атомами водорода, связанными с ним.

Вокруг атома азота расположены четыре пары электронов, одна из которых является одинокой парой, не имеющей связи.
Чтобы образовать три связи, атом азота подвергается sp3, образуя четыре новые орбитали с тетраэдрическим расположением.
Однако только три из этих орбиталей используются для образования связей с тремя атомами водорода, а другая содержит одинокую пару электронов.
Поэтому гибридизация атома азота в аммиаке — sp3.

Задачи

Решение:

Нарисуйте структуру Льюиса аммиака (NH3).

H
|
H -- N -- H
|
H

Определите количество областей электронной плотности вокруг атома азота. В аммиаке атом азота имеет три области связи и одну одиночную пару, что дает ему в общей сложности четыре области электронной плотности.

Используйте число областей электронной плотности, чтобы предсказать гибридизацию атома азота. В данном случае атом азота должен подвергнуться sp3-гибридизации, поскольку он имеет четыре области электронной плотности.

Присвойте атому азота соответствующие орбитали. Гибридизация sp3 азота включает в себя комбинацию одной s- и трех p-орбиталей, в результате чего образуются четыре гибрида sp3, ориентированные в тетраэдрической геометрии. Три из них будут использоваться для образования связей азота с водородом, а четвертая орбиталь будет содержать одинокую пару электронов.

Решение:

Нарисуйте структуру Льюиса этина (C2H2).

H-C≡C-H

Определите число областей электронной плотности вокруг атома углерода. В этине атом углерода имеет две области связи и ни одной одиночной пары, что дает ему в общей сложности две области электронной плотности.

Используйте число областей электронной плотности, чтобы предсказать гибридизацию атома углерода. В данном случае атом углерода должен подвергнуться sp-гибридизации, поскольку он имеет две области электронной плотности.

Назначьте атому углерода соответствующие орбитали. При sp-гибридизации углерода происходит комбинация одной s- и одной p-орбитали, в результате чего образуются две орбитали sp, ориентированные в линейной геометрии. Эти две орбитали будут использоваться для образования тройной связи углерод-углерод.

Поэтому атом углерода в этине (C2H2) подвергается sp-гибридизации, и образующиеся орбитали представляют собой две sp-гибридные орбитали, ориентированные в линейной геометрии.