Гибридизация орбиталей
Гибридиза́ция орбита́лей — процесс смещения различных атомных орбиталей (s, p, d, f) центрального атома многоатомной молекулы с возникновением одинаковых орбиталей, эквивалентных по своим правилам. Угол между гибридными орбиталями при sp3-гибридизации равен 109.5°, при sp2 — 120°, при sp — 180°.
Концепция гибридизации
«Концепция гибридизации валентных атомных орбиталей» была предложена американским химиком Лайнусом Полингом в 1931 году для ответа на вопрос, почему при наличии у центрального атома разных (s, p, d) валентных орбиталей образованные им связи в многоатомных молекулах с одинаковыми лигандами оказываются эквивалентными по своим энергетическим и пространственным характеристикам.
Представления о гибридизации занимают центральное место в методе валентных связей. Сама гибридизация не является реальным физическим процессом, а только удобной моделью, позволяющей объяснить электронное строение молекул, в частности гипотетические видоизменения атомных орбиталей при образовании ковалентной химической связи, в частности, выравнивание длин химических связей и валентных углов в молекуле.
Концепция гибридизации с успехом была применена для качественного описания простых молекул, но позднее была расширена и для более сложных. В отличие от теории молекулярных орбиталей не является строго количественной, например, она не в состоянии предсказать фотоэлектронные спектры даже таких простых молекул, как вода. В настоящее время используется в основном в методических целях и в синтетической органической химии.
В 1954 году Нобелевский комитет удостоил Л. Полинга премии по химии «За изучение природы химической связи и его применение к объяснению строения сложных молекул». Однако сам Л. Полинг не был удовлетворён введением σ, π — описания для двойной и тройной связи и сопряжённых систем.
В 1958 году на симпозиуме, посвящённом памяти немецкого химика-органика Ф. А. Кекуле, Л. Полинг развил теорию изогнутой химической связи, учитывающую кулоновское отталкивание электронов. По этой теории, двойная связь описывалась как комбинация двух изогнутых химических связей, а тройная связь — как комбинация трёх изогнутых химических связей.
Этот принцип нашёл отражение в теории отталкивания электронных пар Гиллеспи — Найхолма, первое и наиболее важное правило которой формулировалось следующим образом:
- «Электронные пары принимают такое расположение на валентной оболочке атома, при котором они максимально удалены друг от друга, т. е. электронные пары ведут себя так, как если бы они взаимно отталкивались».
Второе правило состояло в том, что «все электронные пары, входящие в валентную электронную оболочку, считаются расположенными на одинаковом расстоянии от ядра».
Виды гибридизации
sp-гибридизация
При sp-гибридизации s-орбиталь углерода в возбуждённом состоянии смешивается только с одной из трех 2p-орбиталей. Это называется sp-гибридизацией, потому что две орбитали (одна s и одна p) смешаны: получающиеся две sp-гибридные орбитали затем располагаются в линейной геометрии (180°), а две негибридизованные 2p-орбитали располагаются под углом 90°. В ацетилене C2H2 это происходит следуюшим образом: два атома углерода образуют сигма-связь, перекрывая sp-орбитали. Один водород связывается с каждым атомом углерода, перекрывая его орбиталь с другой орбиталью. Две p-орбитали каждого углерода перекрываются, образуя две π-связи. Основные параметры sp-гибридизации и тройной связи:
* Все атомы имеют линейную структуру;
* Угол между атомами составляет 180°;
* В тройной связи есть одна σ (сигма) и две π (пи) связи.
sp2-гибридизация
Данный вид гибридизации происходит при смешивании одной s- и двух p-орбиталей. Образуются три гибридные орбитали с осями, расположенными в одной плоскости и направленными к вершинам треугольника под углом 120°. Негибридная p-атомная орбиталь перпендикулярна плоскости и, как правило, участвует в образовании π-связей.
sp3-гибридизация
Данный вид гибридизации происходит при смешивании одной s- и трех p-орбиталей, образуя четыре равноценные по форме и энергии sp3-гибридные орбитали.
Оси sp3-гибридных орбиталей направлены к вершинам тетраэдра, тогда как ядро центрального атома расположено в центре описанной сферы этого тетраэдра. Угол между любыми двумя осями приближённо равен 109°28', что соответствует наименьшей энергии отталкивания электронов. Также sp3-орбитали могут образовывать четыре σ-связи с другими атомами или заполняться неподеленными парами электронов. Такое состояние характерно для атомов углерода в насыщенных углеводородах и соответственно в алкильных радикалах и их производных.
Гибридизация и геометрия молекул
Представление о гибридизации атомных орбиталей лежит в основе теории отталкивания электронных пар Гиллеспи-Найхолма. Каждому типу гибридизации соответствует строго определённая пространственная ориентация гибридных орбиталей центрального атома, что позволяет её использовать как основу стереохимических представлений в неорганической химии.
В таблице приведены примеры соответствия наиболее распространённых типов гибридизации и геометрической структуры молекул в предположении, что все гибридные орбитали участвуют в образовании химических связей (отсутствуют неподелённые электронные пары).
| Тип гибридизации | Число гибридных орбиталей | Геометрия | Структура | Примеры |
|---|---|---|---|---|
| sp | 2 | Линейная |  | BeF2, CO2, NO2+ |
| sp2 | 3 | Треугольная |  | BF3, NO3-, CO32- |
| sp3, d3s | 4 | Тетраэдрическая |  | CH4, ClO4-, SO42-, NH4+ |
| dsp2 | 4 | Плоскоквадратная |  | [Ni(CN)4]2- [PdCl4]2- |
| sp3d | 5 | Тригонально-бипирамидальная |  | PCl5, AsF5 |
| sp3d2, d2sp3 | 6 | Октаэдрическая |  | SF6, Fe(CN)63-, CoF63- |
Примечания
- Brittin, W. E. (1945). Valence Angle of the Tetrahedral Carbon Atom. 22 (3): 145. Bibcode:1945JChEd..22..145B. doi:10.1021/ed022p145.
- Под редакцией Р. Х. Фрейдлиной. Теоретическая органическая химия. — пер. с англ. канд. хим. наук Ю. Г. Бунделем. — М.: Издательство иностранной литературы, 1963. — Т. 1. — С. 11. — 365 с.
- Гиллеспи Р. Геометрия молекул / Пер. с англ. Е. З. Засорина и В. С. Мастрюкова, под ред. Ю. А. Пентина. — М.: Мир, 1975. — С. 18—19. — 278 с.
- Теоретически этот угол в правильном тетраэдре равен arccos(-1/3)≈109°28'.
- Здесь A — центральный атом, X — гибридные связывающие орбитали
Литература
- Полинг Л. Природа химической связи / Пер. с англ. М. Е. Дяткиной. Под ред. проф. Я. К. Сыркина. — М.; Л.: Госхимиздат, 1947. — 440 с.
- Полинг Л. Общая химия. Пер. с англ. — М.: Мир, 1974. — 846 с.
- Минкин В. И., Симкин Б. Я., Миняев Р. М. Теория строения молекул. — Ростов-на-Дону: Феникс, 1997. — С. 397—406. — ISBN 5-222-00106-7.
- Гиллеспи Р. Геометрия молекул / Пер. с англ. Е. З. Засорина и В. С. Мастрюкова, под ред. Ю. А. Пентина. — М.: Мир, 1975. — 278 с.
Ссылки
![image]()
На Викискладе есть медиафайлы по теме Гибридизация орбиталей- Анимированные изображения гибридизации
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Гибридизация орбиталей, Что такое Гибридизация орбиталей? Что означает Гибридизация орбиталей?
U etogo termina sushestvuyut i drugie znacheniya sm Gibridizaciya Gibridiza ciya orbita lej process smesheniya razlichnyh atomnyh orbitalej s p d f centralnogo atoma mnogoatomnoj molekuly s vozniknoveniem odinakovyh orbitalej ekvivalentnyh po svoim pravilam Ugol mezhdu gibridnymi orbitalyami pri sp3 gibridizacii raven 109 5 pri sp2 120 pri sp 180 Model molekuly metana obrazovannoj sp3 gibridnymi orbitalyami ugleroda i s orbitalyami vodorodaKoncepciya gibridizaciiShema gibridizacii atomnyh s i p orbitalej atoma ugleroda Koncepciya gibridizacii valentnyh atomnyh orbitalej byla predlozhena amerikanskim himikom Lajnusom Polingom v 1931 godu dlya otveta na vopros pochemu pri nalichii u centralnogo atoma raznyh s p d valentnyh orbitalej obrazovannye im svyazi v mnogoatomnyh molekulah s odinakovymi ligandami okazyvayutsya ekvivalentnymi po svoim energeticheskim i prostranstvennym harakteristikam Predstavleniya o gibridizacii zanimayut centralnoe mesto v metode valentnyh svyazej Sama gibridizaciya ne yavlyaetsya realnym fizicheskim processom a tolko udobnoj modelyu pozvolyayushej obyasnit elektronnoe stroenie molekul v chastnosti gipoteticheskie vidoizmeneniya atomnyh orbitalej pri obrazovanii kovalentnoj himicheskoj svyazi v chastnosti vyravnivanie dlin himicheskih svyazej i valentnyh uglov v molekule Koncepciya gibridizacii s uspehom byla primenena dlya kachestvennogo opisaniya prostyh molekul no pozdnee byla rasshirena i dlya bolee slozhnyh V otlichie ot teorii molekulyarnyh orbitalej ne yavlyaetsya strogo kolichestvennoj naprimer ona ne v sostoyanii predskazat fotoelektronnye spektry dazhe takih prostyh molekul kak voda V nastoyashee vremya ispolzuetsya v osnovnom v metodicheskih celyah i v sinteticheskoj organicheskoj himii V 1954 godu Nobelevskij komitet udostoil L Polinga premii po himii Za izuchenie prirody himicheskoj svyazi i ego primenenie k obyasneniyu stroeniya slozhnyh molekul Odnako sam L Poling ne byl udovletvoryon vvedeniem s p opisaniya dlya dvojnoj i trojnoj svyazi i sopryazhyonnyh sistem V 1958 godu na simpoziume posvyashyonnom pamyati nemeckogo himika organika F A Kekule L Poling razvil teoriyu izognutoj himicheskoj svyazi uchityvayushuyu kulonovskoe ottalkivanie elektronov Po etoj teorii dvojnaya svyaz opisyvalas kak kombinaciya dvuh izognutyh himicheskih svyazej a trojnaya svyaz kak kombinaciya tryoh izognutyh himicheskih svyazej Etot princip nashyol otrazhenie v teorii ottalkivaniya elektronnyh par Gillespi Najholma pervoe i naibolee vazhnoe pravilo kotoroj formulirovalos sleduyushim obrazom Elektronnye pary prinimayut takoe raspolozhenie na valentnoj obolochke atoma pri kotorom oni maksimalno udaleny drug ot druga t e elektronnye pary vedut sebya tak kak esli by oni vzaimno ottalkivalis Vtoroe pravilo sostoyalo v tom chto vse elektronnye pary vhodyashie v valentnuyu elektronnuyu obolochku schitayutsya raspolozhennymi na odinakovom rasstoyanii ot yadra Vidy gibridizaciisp gibridizaciya sp gibridizaciya Pri sp gibridizacii s orbital ugleroda v vozbuzhdyonnom sostoyanii smeshivaetsya tolko s odnoj iz treh 2p orbitalej Eto nazyvaetsya sp gibridizaciej potomu chto dve orbitali odna s i odna p smeshany poluchayushiesya dve sp gibridnye orbitali zatem raspolagayutsya v linejnoj geometrii 180 a dve negibridizovannye 2p orbitali raspolagayutsya pod uglom 90 V acetilene C2H2 eto proishodit sleduyushim obrazom dva atoma ugleroda obrazuyut sigma svyaz perekryvaya sp orbitali Odin vodorod svyazyvaetsya s kazhdym atomom ugleroda perekryvaya ego orbital s drugoj orbitalyu Dve p orbitali kazhdogo ugleroda perekryvayutsya obrazuya dve p svyazi Osnovnye parametry sp gibridizacii i trojnoj svyazi Vse atomy imeyut linejnuyu strukturu Ugol mezhdu atomami sostavlyaet 180 V trojnoj svyazi est odna s sigma i dve p pi svyazi sp2 gibridizaciya sp2 gibridizaciya Dannyj vid gibridizacii proishodit pri smeshivanii odnoj s i dvuh p orbitalej Obrazuyutsya tri gibridnye orbitali s osyami raspolozhennymi v odnoj ploskosti i napravlennymi k vershinam treugolnika pod uglom 120 Negibridnaya p atomnaya orbital perpendikulyarna ploskosti i kak pravilo uchastvuet v obrazovanii p svyazej sp3 gibridizaciya sp3 gibridizaciya Dannyj vid gibridizacii proishodit pri smeshivanii odnoj s i treh p orbitalej obrazuya chetyre ravnocennye po forme i energii sp3 gibridnye orbitali Osi sp3 gibridnyh orbitalej napravleny k vershinam tetraedra togda kak yadro centralnogo atoma raspolozheno v centre opisannoj sfery etogo tetraedra Ugol mezhdu lyubymi dvumya osyami priblizhyonno raven 109 28 chto sootvetstvuet naimenshej energii ottalkivaniya elektronov Takzhe sp3 orbitali mogut obrazovyvat chetyre s svyazi s drugimi atomami ili zapolnyatsya nepodelennymi parami elektronov Takoe sostoyanie harakterno dlya atomov ugleroda v nasyshennyh uglevodorodah i sootvetstvenno v alkilnyh radikalah i ih proizvodnyh Gibridizaciya i geometriya molekulPredstavlenie o gibridizacii atomnyh orbitalej lezhit v osnove teorii ottalkivaniya elektronnyh par Gillespi Najholma Kazhdomu tipu gibridizacii sootvetstvuet strogo opredelyonnaya prostranstvennaya orientaciya gibridnyh orbitalej centralnogo atoma chto pozvolyaet eyo ispolzovat kak osnovu stereohimicheskih predstavlenij v neorganicheskoj himii V tablice privedeny primery sootvetstviya naibolee rasprostranyonnyh tipov gibridizacii i geometricheskoj struktury molekul v predpolozhenii chto vse gibridnye orbitali uchastvuyut v obrazovanii himicheskih svyazej otsutstvuyut nepodelyonnye elektronnye pary Tip gibridizacii Chislo gibridnyh orbitalej Geometriya Struktura Primerysp 2 Linejnaya BeF2 CO2 NO2 sp2 3 Treugolnaya BF3 NO3 CO32 sp3 d3s 4 Tetraedricheskaya CH4 ClO4 SO42 NH4 dsp2 4 Ploskokvadratnaya Ni CN 4 2 PdCl4 2 sp3d 5 Trigonalno bipiramidalnaya PCl5 AsF5sp3d2 d2sp3 6 Oktaedricheskaya SF6 Fe CN 63 CoF63 PrimechaniyaBrittin W E 1945 Valence Angle of the Tetrahedral Carbon Atom 22 3 145 Bibcode 1945JChEd 22 145B doi 10 1021 ed022p145 Pod redakciej R H Frejdlinoj Teoreticheskaya organicheskaya himiya per s angl kand him nauk Yu G Bundelem M Izdatelstvo inostrannoj literatury 1963 T 1 S 11 365 s Gillespi R Geometriya molekul Per s angl E Z Zasorina i V S Mastryukova pod red Yu A Pentina M Mir 1975 S 18 19 278 s Teoreticheski etot ugol v pravilnom tetraedre raven arccos 1 3 109 28 Zdes A centralnyj atom X gibridnye svyazyvayushie orbitaliLiteraturaPoling L Priroda himicheskoj svyazi Per s angl M E Dyatkinoj Pod red prof Ya K Syrkina M L Goshimizdat 1947 440 s Poling L Obshaya himiya Per s angl M Mir 1974 846 s Minkin V I Simkin B Ya Minyaev R M Teoriya stroeniya molekul Rostov na Donu Feniks 1997 S 397 406 ISBN 5 222 00106 7 Gillespi R Geometriya molekul Per s angl E Z Zasorina i V S Mastryukova pod red Yu A Pentina M Mir 1975 278 s SsylkiNa Vikisklade est mediafajly po teme Gibridizaciya orbitalej Animirovannye izobrazheniya gibridizacii
