Материал: Лидин Р. А., Молочко В. А. Химия для абитуриентов. От средней школы к вузу

(182) (182)

180°

Рис. 4. Определение типа гибридизации и геометрической формы молекулы ВеН2

ложёнйя орбиталей в пространстве у того атома, который образует две или более связей (атом А в . молекулах АВИ). Другими словами, происходит гибридизация орбиталей ато­ ма А. Тип гибридизации и будет определять геометрическую форму молекул АВИ(табл. 1). .

Предсказание типа гибридизации проводится на осно­ вании донорно-акцепторного механизма образования связи. Рапример, для молекулы ВеН2 оценивают степени окисле­ ния атомов (Ве*п, Н “^ записывают сокращенные электрон­ ные конфигурации условных ионов Ве+П(2у°2/?0) и Н^!(152) и на схеме незавершенных подуровней атома Ве+11 (еГ общем виде атома А) показывается образование двух связей Ве <- Н (Ве-акцептор электронной пары, Н-донор) (рис. 4). Пред­ полагается, что в момент образования двух связей Ве—Н у атома Ве 2у- и 2/?-орбитали гибридизуются в две лр-орби- талй:

Ве

2р 5р-орбитали

которые расходятся в пространстве на максимально далекое расстояние (180°). Затем они перекрываются с Ь-орбиталями двух атомов Н, и образуется линейная молекула ВеН2*

Аналогично предсказываются тип гибридизации и гео­ метрическая форма для молекулы.ВР3 и катиона МН4 -

треугольная (АВ3) и тетраэдрическая (АВ4) соответственно (рис. 5) (отметьте, что при образовании катиона КН4 атом К"™ играет роль донора электронной пары, а атомы Н +1-

45

Рис. 5. Определение типа гибридизации и геометрической формы молекулы ВР3 и иона ЫЩ

роль акцептора). Экспериментально доказано, что угол между связями Р*—В—Р равен 120 °С, а угол между связями Н—И—Н равен 109,5°, все связи В—Р в молекуле ,ВР3 или связи N—Н в катионе ТЧН^ имеют равную длину и энергию, т.е. они равноценны. Таким образом, теория гибридизации подтверждается практикой.

Если у атома А молекулы АВИимеется неподеленная пара электронов, то ее надо учитывать при определении типа гибридизации (она считается направленной к воображаемо­ му партнеру по связи). Примеры'-тетраэдрические мдлёкулы КН3 и Н20 (рис. 6). Такие тетраэдры называются химически незавершенными (в некоторых вершинах нет атомов Н); кроме того, электростатическое отталкивание атомов Н +1 от неподеленной пары азота или двух пар кислорода несколько искажает тетраэдр и уменьшает углы между связями Н—N—Н и Н—О—Н от значения 109,5° (эксперименталь­ ные данные —107° и 105° соответственно).

Типы гибридизации 8ръсР {октаэдр) и.зръс1 {тригональная бипирамида) встречаются у атома 5 в молекулах 8Р6 и 8Р4; при образовании связей 8—Р используются также 3^-ор- битали атома 8, на которых в свободном атоме 8 электронов нет (рис. 7). ^

46

Н+1 н +1 4+1 НI+1

1г р Щ Ш

Ч-Ш

--^ рн

Рис. 6. Определение типа гибридизации и геометрической формы молекул N113 и Н20

Г”1’ Р’ 1

Рис. 7. Определение типа гибридизации и геометрической формы молекул 8Рб и 8Р4 *

Обратите внимание на правило, по 'которому при изоб­ ражении электронной конфигурации атомам положительной (но не высшей) степени окисления, например 8+™, электроны

сподуровней удаляются в порядке понижения энергии (т. е.

с^-подуровня раньше, чем с ^-подуровня), а внутри /^поду­ ровня-строго справа налево с полным освобождением кван­

общее основание для двух квадратных пирамид (в октаэдре 8Р6) и для двух,тригональных пирамид (в'8Р4). Тригональная бипирамида 8Р4 является химически незавершенной, в одну из ее вершин направлена неподеленная пара элект­ ронов атома 8+1У.

В рассмотренных до сих пор частицах атомы создавали одинарную связь, изображающуюся одной валентной чертой. Она всегда образуется при перекрывании орбиталей вдоль оси связи атом-атом (самый выгодный способ перекры­ вания). Такие связи носят название а-связей. (Н—Н, Р—Р,

й кратные связи, т. е. двоцные и тройные. При этом состав­ ляющая, образующаяся первой, всегда будет а-связью (обладает наибольшей прочностью и определяет геометри­ ческую форму молекулы). Вторая и третья составляющие называются я-связями, они образуются при боковом перекрывании любых орбиталей, кроме ^-орбиталей.

, Например, 2/7-орбитали двух атомов углерода могут сформировать между собой одинарную, двойную и тройную связи. В первом случае образуется остов молекулы этана

При двойном связывании атомов углерода первые 2/7-ор­ битали создают сг-связь (как показано выше), а вторые - я-

я-связь

48

и разорвать их труднее. Этим часто объясняете^ химическая инертность веществ, таких, как азот К 2, а также диоксид углерода С0 2. • ,

Отметим, еще раз, что геометрическую форму молекулы определяют- сг-связи. В молекуле С 0 2 (и во всех кисло­ родсодержащих частицах,1где атом кислорода связан, только с одним атомом другого элемента) атом О "п-донор двух электронных пар, одна из которых идет на формирование сг-связи, а другая-на образование я-связи.

Другие примеры-молекулы 8 0 3, 8 0 2 й N0?, анионы СОГ% 8 0 Г и 801- (рис. 8).

Обычно вещества с симметричными молекулами хими­ чески более пассивны, чем ^вещества с асимметричными молекулами. Так, реакционная способность диоксида серы 8 0 2 (незавершенный треугольник) вьппе, чем триоксида серы. 8 0 3 (правильный треугольник); сульфаты, содержащие сим-~ метричный анион / 8 0 (идеальный тетраэдр), химически пассивны по сравнению с сульфитами, содержащими не­ симметричный анион 8 0 3“ (незавершенный тетраэдр).

Обратите внимаьше на молекулу Ж )2, в которой у атоМа И +1У (2у12р°) на одной из лр2-гибридных орбиталей на­ ходится не электронная пара, а неспаренный электрон. Такие молекулы особенно реакционноспособны, Их называют ра­ дикалами. В органической химии радикалами являются метил—СН3, этил —С2Н5 и многие другие.

Молекулы, которые образованы атомами одного и того . же элемента,, всегда будут неполярными, как , неполярны и сами связи в них. Так, молекулыVН2, Р2, 1М2- неполярные

ментов^ могут быть полярными и неполярными. Это зависит от их геометрической формы. Если форма симметрична, то молекула неполярна (ВеН2, ВР3, СН4, С 0 2, 8 0 3). Если форма асимметрична (из-за наличия неп^деленных пар электронов), то-молекула будет полярной (1ЧН3, Н20, 8 0 2, Ж >2). При замене одного из боковых атомов в симметрич-

49