Продолжение. Начало см. в № 15, 16/2004 Урок 5. Гибридизация
|
|
Форма и ориентация
|
При образовании химических связей электронные орбитали приобретают одинаковую форму. Так, в предельных углеводородах смешиваются одна s-орбиталь и три р-орбитали атома углерода с образованием четырех одинаковых (гибридных) sр3-орбиталей:
Это – sр3-гибридизация.
Гибридизация – выравнивание
(смешивание) атомных орбиталей (s и р) с
образованием новых атомных орбиталей,
называемых гибридными орбиталями.
 |
Четыре sp3-гибридные орбитали
|
Гибридные орбитали имеют
асимметричную форму, вытянутую в сторону
присоединяемого атома. Электронные облака
взаимно отталкиваются и располагаются в
пространстве максимально далеко друг от друга.
При этом оси четырех sр3-гибридных орбиталей
оказываются направленными к вершинам тетраэдра
(правильной треугольной пирамиды).
Соответственно углы между этими орбиталями –
тетраэдрические, равные 109°28'.
Вершины электронных орбиталей могут
перекрываться с орбиталями других атомов. Если
электронные облака перекрываются по линии,
соединяющий центры атомов, то такую ковалентную
связь называют сигма(
)-связью. Например, в молекуле этана
С2Н6 химическая связь образуется
между двумя атомами углерода перекрыванием двух
гибридных орбиталей. Это -связь. Кроме того, каждый из
атомов углерода своими тремя sр3-орбиталями
перекрывается с s-орбиталями трех атомов
водорода, образуя три -связи.
|
Схема перекрывания электронных
облаков
|
Всего для атома углерода возможны три
валентных состояния с различным типом
гибридизации. Кроме sр3-гибридизации
существует sр2- и sр-гибридизация.
sр2-Гибридизация – смешивание одной
s- и двух р-орбиталей. В результате
образуются три гибридные sр2-орбитали.
Эти sр2-орбитали расположены в одной
плоскости (с осями х, у) и направлены к
вершинам треугольника с углом между орбиталями
120°. Негибридизованная
р-орбиталь перпендикулярна к плоскости трех
гибридных sр2-орбиталей (ориентирована
вдоль оси z). Верхняя половина р-орбитали
находится над плоскостью, нижняя половина – под
плоскостью.
Тип sр2-гибридизации углерода бывает у
соединений с двойной связью: С=С, С=О, С=N. Причем
только одна из связей между двумя атомами
(например, С=С) может быть -связью. (Другие связывающие
орбитали атома направлены в противоположные
стороны.) Вторая связь образуется в результате
перекрывания негибридных р-орбиталей по обе
стороны от линии, соединяющей ядра атомов.
 |
Орбитали (три sp2 и одна р)
|
Ковалентная связь, образующаяся путем
бокового перекрывания р-орбиталей соседних
углеродных атомов, называется пи(
)-связью.
|
Образование
|
Из-за меньшего перекрывании орбиталей -связь менее
прочная, чем -связь.
sр-Гибридизация – это смешивание
(выравнивание по форме и энергии) одной s- и
одной
р-орбиталей с образованием двух гибридных sр-орбиталей.
sр-Орбитали расположены на одной линии (под
углом 180°) и направлены в противоположные стороны
от ядра атома углерода. Две
р-орбитали остаются негибридизованными. Они
размещены взаимно перпендикулярно
направлениям -связей. На рисунке sр-орбитали
показаны вдоль оси y, а негибридизованные две
р-орбитали– вдоль осей х и z.
 |
Атомные орбитали (две sp и две р)
|
Тройная углерод-углеродная связь С
С состоит из -связи, возникающей
при перекрывании
sp-гибридных орбиталей, и двух -связей.
Взаимосвязь таких параметров атома углерода, как
число присоединенных групп, тип гибридизации и
типы образуемых химических связей, показана в
таблице 4.
Таблица 4
Ковалентные связи углерода
| Число групп, связанных с углеродом |
Тип гибридизации |
Типы участвующих химических связей |
Примеры формул соединений |
|---|---|---|---|
| 4 | sp3 | Четыре - связи |
|
| 3 | sp2 | Три - связи и одна - связь |
|
| 2 | sp | Две - связи и две -связи |
H–C |
Упражнения.
1. Какие электроны атомов (например, углерода или азота) называют неспаренными?
2. Что означает понятие «общие электронные пары» в соединениях с ковалентной связью (например, СН4 или Н2S)?
3. Какие электронные состояния атомов (например, С или N) называют основными, а какие возбужденными?
4. Что означают цифры и буквы в электронной формуле атома (например, С или N)?
5. Что такое атомная орбиталь? Сколько орбиталей на втором энергетическом уровне атома С и чем они различаются?
6. В чем отличие гибридных орбиталей от исходных орбиталей, из которых они образовались?
7. Какие типы гибридизации известны для атома углерода и в чем они заключаются?
8. Нарисуйте картинку пространственного расположения орбиталей для одного из электронных состояний атома углерода.
9. Какие химические связи
называют
и какие ?
Укажите -
и -связи в
соединениях:
10. Для атомов углерода приведенных ниже соединений укажите: а) тип гибридизации; б) типы его химических связей; в) валентные углы.
Ответы на упражнения к теме 1
Урок 5
1. Электроны, которые находятся по одному на орбитали, называют неспаренными электронами. Например, в электронографической формуле возбужденного атома углерода – четыре неспаренных электрона, а у атома азота – три:
2. Два электрона, участвующие в образовании одной химической связи, называют общей электронной парой. Обычно до образования химической связи один из электронов этой пары принадлежал одному атому, а другой электрон – другому атому:
3. Электронное состояние атома, в котором соблюдается порядок заполнения электронных орбиталей: 1s2, 2s2, 2p2, 3s2, 3p2, 4s2, 3d2, 4p2 и т.д., называют основным состоянием. В возбужденном состоянии один из валентных электронов атома занимает свободную орбиталь с более высокой энергией, такой переход сопровождается разъединением спаренных электронов. Схематически это записывают так:
Тогда как в основном состоянии было только два валентных неспаренных электрона, то в возбужденном состоянии таких электронов становится четыре.
5. Атомная орбиталь – это функция,
которая описывает плотность электронного облака
в каждой точке пространства вокруг ядра данного
атома. На втором энергетическом уровне атома
углерода четыре орбитали – 2s, 2рx, 2рy,
2рz. Эти орбитали различаются:
а) формой электронного облака (s – шар, р –
гантель);
б) р-орбитали имеют разную ориентацию в
пространстве – вдоль взаимно перпендикулярных
осей x, y и z, их обозначают рx, рy,
рz.
6. Гибридные орбитали отличаются от
исходных (негибридных) орбиталей формой и
энергией. Например, s-орбиталь – форма сферы, р
– симметричная восьмерка, sp-гибридная
орбиталь – асимметричная восьмерка.
Различия по энергии: E(s) < E(sр) < E(р).
Таким образом, sp-орбиталь – усредненная по
форме и энергии орбиталь, полученная смешиванием
исходных s- и p-орбиталей.
7. Для атома углерода известны три типа гибридизации: sp3, sp2 и sp (см. текст урока 5).
9. -связь
– ковалентная связь, образующаяся путем
лобового перекрывания орбиталей по линии,
соединяющей центры атомов.
-связь –
ковалентная связь, образующаяся путем бокового
перекрывания р-орбиталей по обе стороны от
линии, соединяющей центры атомов.
-Связи
показывают второй и третьей черточкой между
соединенными атомами.
10.
