Hiilen atomikiertoradan hybridisaatio. Hiiliatomien hybridisaatiotyypit orgaanisissa yhdisteissä

hiiliatomin malli

Hiiliatomin valenssielektronit sijaitsevat yhdessä 2s-orbitaalissa ja kahdessa 2p-radassa. 2p-orbitaalit sijaitsevat 90°:n kulmassa toisiinsa nähden, ja 2s-orbitaalilla on pallosymmetria. Sijainti siis atomikiertoradat hiili avaruudessa ei selitä esiintymistä avaruudessa orgaaniset yhdisteet sidoskulmat 109,5°, 120° ja 180°.

Tämän ristiriidan ratkaisemiseksi käsite atomiorbitaalien hybridisaatio. Hiiliatomin sidosten järjestelyn kolmen vaihtoehdon luonteen ymmärtämiseksi tarvittiin ideoita kolmesta hybridisaatiotyypistä.

Hybridisaatiokäsitteen ilmaantumisen velkaa Linus Paulingille, joka teki paljon kemiallisen sidoksen teorian kehittämiseksi.

Hybridisaation käsite selittää kuinka hiiliatomi muuttaa kiertoradansa muodostaen yhdisteitä. Alla tarkastelemme tätä kiertoradan muunnosprosessia askel askeleelta. Samalla on pidettävä mielessä, että hybridisaatioprosessin jakaminen vaiheisiin tai vaiheisiin on itse asiassa vain henkinen laite, joka mahdollistaa konseptin loogisemman ja ymmärrettävämmän esityksen. Siitä huolimatta päätelmät hiiliatomin sidosten avaruudellisesta suuntautumisesta, joihin tulemme lopulta, vastaavat täysin asioiden todellista tilaa.

Hiiliatomin elektroninen konfiguraatio maa- ja viritystilassa

Vasemmalla oleva kuva esittää hiiliatomin elektronikonfiguraatiota. Meitä kiinnostaa vain valenssielektronien kohtalo. Ensimmäisen vaiheen seurauksena, joka on ns jännitystä tai edistäminen, toinen kahdesta 2s-elektronista siirtyy vapaalle 2p-radalle. Toisessa vaiheessa tapahtuu itse hybridisaatioprosessi, joka voidaan jossain määrin perinteisesti kuvitella yhden s- ja kolmen p-orbitaalin sekoitukseksi ja neljän uuden identtisen orbitaalin muodostukseksi niistä, joista jokainen säilyttää s-orbitaalin ominaisuudet. -orbitaali neljänneksellä ja p-orbitaalien ominaisuudet. Näitä uusia orbitaaleja kutsutaan sp 3 - hybridi. Tässä yläindeksi 3 ei tarkoita kiertoradoilla olevien elektronien lukumäärää, vaan hybridisaatioon osallistuneiden p-orbitaalien määrää. Hybridiradat on suunnattu tetraedrin huipulle, jonka keskellä on hiiliatomi. Jokainen sp 3 -hybridiorbitaali sisältää yhden elektronin. Nämä elektronit osallistuvat kolmanteen vaiheeseen sidosten muodostumisessa neljän vetyatomin kanssa muodostaen 109,5°:n sidoskulmat.

sp3 - hybridisaatio. metaanimolekyyli.

Tasomaisten molekyylien muodostuminen 120° sidoskulmalla on esitetty alla olevassa kuvassa. Tässä, kuten sp 3 -hybridisaation tapauksessa, ensimmäinen vaihe on viritys. Toisessa vaiheessa hybridisaatioon osallistuu yksi 2s ja kaksi 2p-orbitaalia muodostaen kolme sp 2 -hybridi orbitaalit sijaitsevat samassa tasossa 120° kulmassa toisiinsa nähden.

Kolmen sp2-hybridiorbitaalin muodostuminen

Yksi p-rorbitaali pysyy hybridisoitumattomana ja sijaitsee kohtisuorassa sp 2 -hybridiorbitaalien tasoon nähden. Sitten (kolmas vaihe) kaksi sp 2 -hybridiorbitaalia kahdesta hiiliatomista yhdistävät elektronit muodostaen kovalenttisen sidoksen. Tällaista sidosta, joka muodostuu kahden atomiorbitaalin limittymisen seurauksena atomin ytimiä yhdistävää linjaa pitkin, kutsutaan ns. σ-sidos.

Sigma- ja pi-sidosten muodostuminen eteenimolekyylissä

Neljäs vaihe on toisen sidoksen muodostuminen kahden hiiliatomin välille. Sidos muodostuu hybridisoimattomien 2p-orbitaalien toisiaan vastakkaisten reunojen limittymisen seurauksena ja on ns. π-sidos. Uusi molekyylirata on joukko kahdesta alueesta, jotka ovat π-sidoksen elektronien käytössä - σ-sidoksen ylä- ja alapuolella. Molemmat sidokset (σ ja π) muodostavat yhdessä kaksoissidos hiiliatomien välillä. Ja lopuksi, viimeinen, viides vaihe on sidosten muodostuminen hiili- ja vetyatomien välille käyttämällä neljän jäljellä olevan sp 2 -hybridiradan elektroneja.

Kaksoissidos eteenimolekyylissä

Kolmas ja viimeinen hybridisaatiotyyppi on esitetty esimerkissä yksinkertaisimmasta molekyylistä, joka sisältää kolminkertaisen sidos, molekyylit asetyleeni. Ensimmäinen vaihe on atomin viritys, sama kuin ennen. Toisessa vaiheessa yhden 2s ja yhden 2p orbitaalin hybridisaatio tapahtuu kahden sp-hybridi kiertoradat, jotka ovat 180° kulmassa. Ja kaksi 2p-orbitaalia, jotka tarvitaan kahden π-sidoksen muodostumiseen, pysyvät muuttumattomina.

Kahden sp-hybridiorbitaalin muodostuminen

Seuraava vaihe on σ-sidoksen muodostaminen kahden sp-hybridisoidun hiiliatomin välille, sitten muodostuu kaksi π-sidosta. Yksi σ-sidos ja kaksi π-sidosta kahden hiilen välillä yhdessä muodostavat kolmoissidos. Lopuksi muodostuu sidoksia kahden vetyatomin kanssa. Asetyleenimolekyylillä on lineaarinen rakenne, kaikki neljä atomia sijaitsevat samalla suoralla linjalla.

Olemme osoittaneet, kuinka kolme tärkeintä orgaaninen kemia molekyylien geometriatyypit syntyvät hiilen atomikiertoradan erilaisten muutosten seurauksena.

Molekyylissä olevien eri atomien hybridisaatiotyypin määrittämiseksi voidaan ehdottaa kahta menetelmää.

Menetelmä 1. Suurin osa yleisellä tavalla sopii kaikille molekyyleille. Perustuu sidoskulman riippuvuuteen hybridisaatiosta:

a) sidoskulmat 109,5°, 107° ja 105° osoittavat sp3-hybridisaatiota;

b) valenssikulma noin 120° - sp2 - hybridisaatio;

c) valenssikulma 180°-sp-hybridisaatio.

Menetelmä 2. Sopii useimmille orgaanisille molekyyleille. Koska sidoksen tyyppi (yksi-, kaksois-, kolmoissidos) liittyy geometriaan, se on mahdollista sidosten luonteen vuoksi annettu atomi määritä sen hybridisaatiotyyppi:

a) kaikki sidokset ovat yksinkertaisia ​​- sp 3 -hybridisaatio;

b) yksi kaksoissidos - sp2-hybridisaatio;

c) yksi kolmoissidos - sp-hybridisaatio.

Hybridisaatio on henkinen operaatio, jossa tavalliset (energeettisesti edullisimmat) atomikiertoradat muunnetaan uusiksi kiertoradoiksi, joiden geometria vastaa kokeellisesti määritettyä molekyylien geometriaa.

Vuonna 1930 Slater ja L. Pauling kehittivät teorian kovalenttisen sidoksen muodostumisesta elektronisten orbitaalien päällekkäisyyden vuoksi - menetelmän valenssisidokset. Tämä menetelmä perustuu hybridisaatiomenetelmään, joka kuvaa aineiden molekyylien muodostumista hybridiorbitaalien "sekoittumisesta" ("sekoittuminen" ei ole elektroneja, vaan orbitaaleja).

MÄÄRITELMÄ

Hybridisaatio- orbitaalien sekoittuminen ja niiden kohdistaminen muodon ja energian suhteen. Joten sekoittamalla s- ja p-orbitaalit, saamme sp, s- ja 2 p-orbitaalien hybridisaatiotyypin - sp 2, s- ja 3 p-orbitaalit - sp 3. On olemassa muita hybridisaatiotyyppejä, esimerkiksi sp 3 d, sp 3 d 2 ja monimutkaisempia.

Kovalenttisella sidoksella olevien molekyylien hybridisaatiotyypin määritys

Hybridisaation tyyppi on mahdollista määrittää vain molekyyleille, joissa on kovalenttinen sidos tyyppiä AB n, jossa n on suurempi tai yhtä suuri kuin kaksi, A on keskusatomi ja B on ligandi. Vain keskusatomin valenssiorbitaalit tulevat hybridisaatioon.

Määritetään hybridisaation tyyppi käyttämällä BeH2-molekyyliä esimerkkinä.

Aluksi kirjoitetaan muistiin keskusatomin ja ligandin elektroniset konfiguraatiot, piirretään elektronigraafiset kaavat.

Berylliumatomilla (keskiatomilla) on vapaita 2p-kiertoradat, joten voidakseen hyväksyä yhden elektronin jokaisesta vetyatomista (ligandista) BeH2-molekyylin muodostamiseksi, sen on mentävä virittyneeseen tilaan:

BeH2-molekyylin muodostuminen johtuu Be-atomin valenssiorbitaalien päällekkäisyydestä

* Punainen tarkoittaa vetyelektroneja, musta tarkoittaa berylliumia.

Hybridisaation tyyppi määräytyy sen mukaan, mitkä orbitaalit ovat limittäin, joten BeH2-molekyyli on sp-hybridisaatiossa.

Koostumukseltaan AB n olevien molekyylien lisäksi valenssisidosmenetelmällä voidaan määrittää useiden sidosten molekyylien hybridisaatiotyyppi. Harkitse eteenimolekyyliä C 2 H 4 esimerkkinä. Etyleenimolekyylissä on moninkertainen kaksoissidos, jonka muodostavat ja -sidokset. Hybridisaation määrittämiseksi kirjoitamme muistiin elektroniikkakonfiguraatiot ja piirrämme molekyylin muodostavien atomien elektronigraafiset kaavat:

6 C 2s 2 2s 2 2p 2

Hiiliatomilla on vielä yksi vapaa p-orbitaali, joten 4 vetyatomin hyväksymiseksi sen on mentävä virittyneeseen tilaan:

Yksi p-orbitaali tarvitaan muodostamaan -sidos (korostettu punaisella), koska -sidos muodostuu limittäin "puhtaista" (ei-hybridi-) p-orbitaaleista. Loput valenssiorbitaalit siirtyvät hybridisaatioon. Siten eteeni on sp2-hybridisaatiossa.

Molekyylien geometrisen rakenteen määritys

Molekyylien sekä koostumuksen AB n kationien ja anionien geometrinen rakenne voidaan tehdä Gillespie-menetelmällä. Tämä menetelmä perustuu elektronien valenssipareihin. Geometriseen rakenteeseen eivät vaikuta vain kemiallisen sidoksen muodostumiseen osallistuvat elektronit, vaan myös jakamattomat elektroniparit. Gillespie-menetelmässä jokainen yksittäinen elektronipari on merkitty E:ksi, keskusatomi on A ja ligandi B.

Jos jakamaton elektroniparit ei, molekyylien koostumus voi olla AB 2 (molekyylin lineaarinen rakenne), AB 3 (litteä kolmiorakenne), AB4 (tetraedrirakenne), AB 5 (trigonaalinen bipyramidirakenne) ja AB 6 (oktaedrirakenne). Perusrakenteista voidaan saada johdannaisia, jos ligandin sijasta ilmaantuu jakamaton elektronipari. Esimerkiksi: AB 3 E (pyramidirakenne), AB 2 E 2 (molekyylin kulmarakenne).

Molekyylin geometrisen rakenteen (rakenteen) määrittämiseksi on tarpeen määrittää hiukkasen koostumus, jolle lasketaan yksinäisten elektroniparien (NEP) lukumäärä:

NEP = ( kokonaismäärä valenssielektronit - niiden elektronien lukumäärä, joita käytetään muodostamaan sidos ligandien kanssa) / 2

Sidos H:n, Cl:n, Br:n, I:n ja F:n kanssa ottaa 1 elektronin A:sta, sidos O:n kanssa 2 elektronia ja sidos N:n kanssa 3 elektronia keskusatomista.

Harkitse esimerkkiä BCl3-molekyylistä. Keskusatomi on B.

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

NEP \u003d (3-3) / 2 \u003d 0, joten jakamattomia elektronipareja ei ole ja molekyylin rakenne on AB 3 - litteä kolmio.

Eri koostumusten molekyylien yksityiskohtainen geometrinen rakenne on esitetty taulukossa. yksi.

Taulukko 1. Molekyylien spatiaalinen rakenne

Molekyylikaava	Hybridisaation tyyppi		Molekyylityyppi	Molekyyligeometria
				lineaarinen
				kolmion muotoinen
				tetraedri
				trigonaalinen pyramidi
				trigonaalinen bipyramidi
				disfenoidi
				T-muotoinen
				lineaarinen
				neliön muotoinen pyramidi

Esimerkkejä ongelmanratkaisusta

ESIMERKKI 1

Harjoittele	Määritä valenssisidosmenetelmällä metaanimolekyylin (CH 4) hybridisaatiotyyppi ja sen geometrinen rakenne Gillespien menetelmän mukaisesti
Ratkaisu	6 C 2s 2 2s 2 2p 2

Ohje

Tarkastellaan yksinkertaisimman tyydyttyneen hiilivedyn, metaanin, molekyyliä. Se näyttää tältä: CH4. Molekyylin tilamalli on tetraedri. Hiiliatomi muodostaa sidoksia neljän vetyatomin kanssa, jotka ovat täsmälleen samat pituudeltaan ja energialtaan. Yllä olevan esimerkin mukaan niissä on mukana 3 - P elektroni ja 1 S - elektroni, jonka kiertoradasta on tapahtunut tapahtuneen seurauksena täsmälleen sama kuin kolmen muun elektronin kiertoradat. Tämän tyyppistä hybridisaatiota kutsutaan sp^3-hybridisaatioksi. Se kuuluu kaikkeen äärimmäiseen.

Mutta yksinkertaisin tyydyttymättömän edustaja - eteeni. Sen kaava on seuraava: C2H4. Millainen hybridisaatio on ominaista tämän aineen molekyylin hiilelle? Tämän seurauksena muodostuu kolme orbitaalia epäsymmetristen "kahdeksan" muodossa, jotka sijaitsevat samassa tasossa 120 ^ 0 kulmassa toisiinsa nähden. Ne muodostuivat 1 - S ja 2 - P elektroneista. Viimeinen 3. P - elektroni ei muuttanut kiertorataa, eli se pysyi säännöllisen "kahdeksan" muodossa. Tämän tyyppistä hybridisaatiota kutsutaan sp^2-hybridisaatioksi.

Miten sidokset muodostuvat molekyylissä? Jokaisen atomin kaksi hybridisoitunutta orbitaalia liittyi kahden vetyatomin kanssa. Kolmas hybridisoitunut orbitaali muodosti sidoksen toisen saman kiertoradan kanssa. Ovatko loput R-kiertoradat? Ne "vetyvät" toisiinsa molemmilla puolilla molekyylin tasoa. Hiiliatomien välille on muodostunut sidos. Sp^2 on luontainen atomeille, joissa on "kaksoissidos".

Ja mitä asetyleenimolekyylissä tapahtuu? Sen kaava on seuraava: C2H2. Jokaisessa hiiliatomissa hybridisoituu vain kaksi elektronia: 1 - S ja 1 - P. Loput kaksi säilyttivät kiertoradat "säännöllisten kahdeksanten" muodossa, jotka limittyvät molekyylin tasossa ja sen molemmilla puolilla. Tästä syystä tämäntyyppistä hybridisaatiota kutsutaan sp - hybridisaatioksi. Se on luontainen atomeille, joissa on kolmoissidos.

Kaikki sanat, joka on olemassa tietyllä kielellä, voidaan jakaa useisiin ryhmiin. Tämä on tärkeää määritettäessä sekä merkitystä että kielioppifunktioita. sanat. Sen määrittäminen tietylle tyyppi, voit muokata sitä sääntöjen mukaan, vaikka et olisi nähnyt sitä ennen. Elementtityypit sanat leksikologia käsittelee kielen rnogo-koostumusta.

Tarvitset

• - teksti;
• - sanakirja.

Ohje

Valitse sana, jonka haluat kirjoittaa. Sen kuulumisella yhteen tai toiseen puheenosaan ei ole vielä merkitystä, samoin kuin sen muoto ja toiminta lauseessa. Se voi olla täysin mikä tahansa sana. Jos sitä ei ole ilmoitettu tehtävässä, kirjoita ensimmäinen, joka vastaan ​​tulee. Selvitä, nimeääkö se objektin, laadun, toiminnon vai ei. Tätä asetusta varten kaikki sanat on jaettu merkitseviin, pronominaalisiin, numeroihin, palveluun ja väliin. Ensimmäiseen tyyppi sisältää substantiivit, adjektiivit, verbit ja . Ne osoittavat esineiden, ominaisuuksien ja toimien nimiä. Toinen sanatyyppi, jolla on nimeämistoiminto, on pronominaali. Mahdollisuus nimetä puuttuu , välilause- ja palvelutyypeistä. Nämä ovat suhteellisen pieniä sanaryhmiä, mutta niitä on kaikissa.

Selvitä, pystyykö annettu sana ilmaisemaan käsitteen. Tällä ominaisuudella on sanat merkittävän tyypin merkittäviä yksiköitä, koska ne muodostavat minkä tahansa kielen käsitteellisen alueen. Mikä tahansa numero kuuluu kuitenkin myös käsitteiden luokkaan, ja vastaavasti myös tämä toiminto. Myös funktionaalisilla sanoilla on se, mutta pronomineilla ja välilauseilla ei.

Mieti, millainen sana olisi, jos se olisi lauseessa. Voiko se olla? Se voi olla mikä tahansa merkityksellinen sana. Mutta tämä mahdollisuus on myös sisällä, samoin kuin numerossa. Ja tässä ovat viralliset sanat näyttele tukiroolia, ei aihetta eikä alaikäiset jäsenet ne eivät voi olla lauseita eivätkä välihuomioita.

Mukavuuden vuoksi voit tehdä levyn, jossa on neljä saraketta, joissa on kuusi riviä. Nimeä ylärivillä vastaavat sarakkeet "Sanojen tyypit", "Nimi", "Konsepti" ja "Voi olla lauseen jäsen". Kirjoita ensimmäiseen vasempaan sarakkeeseen sanatyyppien nimet, niitä on yhteensä viisi. Selvitä, mitkä funktiot annetulla sanalla on ja mitkä eivät. Kirjoita oikeaan sarakkeeseen plussat ja. Jos kaikissa kolmessa sarakkeessa on plussaa, tämä on merkittävä tyyppi. Pronominaaliset plusmerkit ovat ensimmäisessä ja kolmannessa sarakkeessa sekä toisessa ja kolmannessa sarakkeessa. Palvelu sanat voivat vain ilmaista käsitteen, eli niillä on yksi plus toisessa sarakkeessa. Vastakkaiset välihuomautukset kaikissa kolmessa sarakkeessa tulevat olemaan miinuksia.

Liittyvät videot

Hybridisaatio on prosessi, jossa saadaan hybridejä - kasveja tai eläimiä, jotka ovat peräisin risteytymisestä erilaisia ​​lajikkeita ja rodut. Sana hybridi (hybrida) kanssa latinan kieli käännettynä "sekoitukseksi".

Hybridisaatio: luonnollinen ja keinotekoinen

Hybridisaatioprosessi perustuu eri yksilöiden eri solujen geneettisen materiaalin yhdistämiseen yhdessä solussa. Ero on intraspesifisellä ja etäisellä, jossa eri genomien yhteys tapahtuu. Luonnossa luonnollista hybridisaatiota on tapahtunut ja tapahtuu edelleen ilman ihmisen puuttumista koko ajan. Juuri lajin sisällä risteytymällä kasvit muuttuivat ja paranivat, ja uusia eläinlajeja ja -rotuja ilmestyi. Näkökulmasta katsottuna tapahtuu DNA:n, nukleiinihappojen hybridisaatiota, muutoksia atomi- ja intraatomitasolla.

Akateemisessa kemiassa hybridisaatio ymmärretään aineen molekyyleissä olevien atomiorbitaalien spesifisenä vuorovaikutuksena. Mutta tämä ei ole todellinen fyysinen prosessi, vaan vain hypoteettinen malli, käsite.

Hybridit kasvinviljelyssä

Vuonna 1694 saksalainen tiedemies R. Camerarius ehdotti keinotekoista hankkimista. Ja vuonna 1717 englantilainen T. Fairchild risteili ensimmäisen kerran erityyppiset neilikat. Nykyään suoritetaan kasvien spesifistä hybridisaatiota korkeatuottoisten tai mukautuneiden, esimerkiksi pakkasenkestävien lajikkeiden saamiseksi. Muotojen ja lajikkeiden hybridisaatio on yksi kasvinjalostuksen menetelmistä. Siten on luotu valtava määrä nykyaikaisia ​​viljelykasvilajikkeita.

Kaukaisella hybridisaatiolla, kun edustajat risteytetään eri tyyppejä ja on olemassa erilaisten genomien yhdistelmä, tuloksena saadut hybridit eivät useimmissa tapauksissa anna jälkeläisiä eivätkä tuota heikkolaatuisia risteytyksiä. Siksi ei ole järkevää jättää puutarhaan kypsyneiden hybridikurkkujen siemeniä ja ostaa joka kerta niiden siemeniä erikoisliikkeestä.

Valinta karjankasvatuksessa

Maailmassa tapahtuu myös luonnollista hybridisaatiota, sekä lajin sisäistä että etäistä. Muulit ovat olleet ihmiselle tuttuja kaksituhatta vuotta ennen aikakauttamme. Ja tällä hetkellä muulia ja hennyä käytetään kotitaloudessa suhteellisen halvana työeläimenä. Totta, tällainen hybridisaatio on spesifistä, joten hybridiurokset syntyvät välttämättä steriileinä. Naaraat antavat erittäin harvoin jälkeläisiä.

Muuli on tamman ja aasin hybridi. Orin ja aasin risteyttämisestä saatua hybridiä kutsutaan hinnyksi. Muulit on erityisesti kasvatettu. Ne ovat pitkiä ja vahvempia kuin hinny.

Mutta kotikoiran risteyttäminen suden kanssa oli hyvin yleistä metsästäjien keskuudessa. Sitten tuloksena saaduille jälkeläisille tehtiin lisävalinta, minkä seurauksena luotiin uusia koiraroduja. Nykyään eläinjalostus on tärkeä osa kotieläinteollisuuden menestystä. Hybridisaatio suoritetaan määrätietoisesti, keskittyen määritettyihin parametreihin.

Yleisimmät hybridisaatiot ovat sp, sp 2, sp 3 ja sp 3 d 2. Jokainen hybridisaatiotyyppi vastaa aineen molekyylien tiettyä spatiaalista rakennetta.

sp-hybridisaatio. Tämän tyyppinen hybridisaatio havaitaan, kun atomi muodostaa kaksi sidosta s-orbitaalilla ja samalla p-orbitaalilla (samalla energiatasolla) sijaitsevien elektronien johdosta. Tällöin muodostuu kaksi hybridi-q-orbitaalia, jotka on suunnattu vastakkaisiin suuntiin 180 º:n kulmassa (kuva 22).

Riisi. 22. Sp-hybridisaatiokaavio

Sp-hybridisaation aikana muodostuu AB2-tyypin lineaarisia triatomisia molekyylejä, joissa A on keskusatomi, jossa hybridisaatio tapahtuu, ja B ovat kiinnittyneet atomit, joissa hybridisaatiota ei tapahdu. Tällaisia ​​molekyylejä muodostavat beryllium-, magnesium- ja hiiliatomit asetyleenissä (C 2 H 2) ja hiilidioksidi(CO 2).

Esimerkki 5 Selitä kemiallinen sidos BeH 2- ja BeF 2 -molekyyleissä ja näiden molekyylien rakenne.

Ratkaisu. Normaalitilassa olevat berylliumatomit eivät muodostu kemialliset sidokset, koska ei sisällä parittomia elektroneja (2s 2). Viritetyssä tilassa (2s 1 2p 1) elektronit ovat eri kiertoradoilla, joten sidoksia muodostuessaan tapahtuu sp-hybridisaatio kuvan 1 kaavion mukaisesti. 22. Kaksi vety- tai fluoriatomia on kiinnittynyt kahteen hybridiorbitaaliin, kuten kuvassa 1 on esitetty. 23.

1) 2)

Riisi. 23. Kaavio molekyylien BeH 2 (1) ja BeF 2 (2) muodostumisesta

Tuloksena olevat molekyylit ovat lineaarisia, sidoskulma on 180º.

Esimerkki 6 Kokeellisten tietojen mukaan CO 2 -molekyyli on lineaarinen ja molemmat hiilen sidokset hapen kanssa ovat pituudeltaan (0,116 nm) ja energialtaan (800 kJ / mol). Miten nämä tiedot selitetään?

Ratkaisu. Nämä tiedot hiilidioksidimolekyylistä selitetään seuraavalla sen muodostumismallilla.

Hiiliatomi muodostaa sidoksia viritetyssä tilassa, jossa sillä on neljä paritonta elektronia: 2s 1 2p 3 . Kun sidoksia muodostuu, tapahtuu orbitaalien sp-hybridisaatiota. Hybridiorbitaalit on suunnattu suorassa linjassa vastakkaisiin suuntiin atomin ytimestä, ja loput kaksi puhdasta (ei-hybridi) p-orbitaalia sijaitsevat kohtisuorassa toisiinsa ja hybridiorbitaaliin nähden. Kaikki kiertoradat (hybridi ja ei-hybridi) sisältävät yhden parittoman elektronin.

Jokainen happiatomi, jossa on kaksi paritonta elektronia kahdessa keskenään kohtisuorassa p-orbitaalissa, on kiinnittynyt hiiliatomiin s-sidoksella ja p-sidoksella: s-sidos muodostuu hybridihiiliradan mukana, ja p-sidos muodostuu limittämällä hiiliatomien ja hapen puhtaat p-orbitaalit. Sidosten muodostuminen CO2-molekyylissä on esitetty kuvassa. 24.

Riisi. 24. Kaavio CO 2 -molekyylin muodostumisesta

Sidoskerroin, joka on yhtä suuri kuin kaksi, selittää suuremman sidosvahvuuden, ja sp-hybridisaatio selittää molekyylin lineaarisen rakenteen.

Yhden s- ja kahden p-orbitaalin sekoittumista kutsutaan sp 2 -hybridisaatio. Tällä hybridisaatiolla saadaan kolme ekvivalenttia q-orbitaalia, jotka sijaitsevat samassa tasossa 120º kulmassa (kuva 25).

Riisi. 25. Kaavio sp 2 -hybridisaatiosta

Tämän hybridisaation aikana muodostuneet AB 3 -tyypin molekyylit ovat litteän muotoisia suorakulmainen kolmio jossa on A-atomit keskellä ja B-atomit sen kärjessä. Tällainen hybridisaatio tapahtuu boorin ja muiden kolmannen ryhmän alkuaineiden atomeissa sekä C 2 H 4 -molekyylin hiiliatomeissa ja CO 3 2- ionissa.

Esimerkki 7 Selitä kemiallisten sidosten muodostuminen ВН 3 -molekyylissä ja sen rakenne.

Ratkaisu. Kokeelliset tutkimukset osoittavat, että BH 3 -molekyylissä kaikki kolme B-H-sidosta sijaitsevat samassa tasossa, sidosten väliset kulmat ovat 120º. Tämä molekyylin rakenne selittyy sillä, että parittomien elektronien (2s 1 2p 2) miehittämät valenssikiertoradat sekoittuvat booriatomiin virittyneessä tilassa ja se muodostaa sidoksia sp 2 -hybridiorbitaalien kanssa. VN3-molekyylin kaavio on esitetty kuvassa. 26.

Riisi. 26. Kaavio ВН 3 -molekyylin muodostumisesta

Jos hybridisaatioon osallistuu yksi s- ja kolme p-orbitaalia ( sp 3 -hybridisaatio), niin tuloksena muodostuu neljä hybridiorbitaalia, jotka on suunnattu tetraedrin kärkeä kohti, ts. suunnattu 109º28¢ (~109,5º) kulmiin toisiinsa nähden. Tuloksena olevilla molekyyleillä on tetraedrinen rakenne. Tämän tyyppinen hybridisaatio selittää tyydyttyneiden hiilivetyjen rakenteen, hiiliyhdisteet halogeeneilla, monet piiyhdisteet, ammoniumkationi NH 4 + jne. Klassinen esimerkki tästä hybridisaatiosta on metaanimolekyyli CH 4 (kuva 27).

Riisi. 27. Kaavio kemiallisten sidosten muodostumisesta CH 4 -molekyylissä

Jos hybridisaatioon osallistuu yksi s-, kolme p- ja kaksi d-orbitaalia ( sp 3 d 2 - hybridisaatio), sitten ilmestyy kuusi hybridiorbitaalia, jotka on suunnattu oktaedrin kärkiin, ts. suunnattu 90º kulmassa toisiinsa nähden. Tuloksena olevilla molekyyleillä on oktaedrinen rakenne. Tämän tyyppinen hybridisaatio selittää rikki-, seleeni- ja telluuriyhdisteiden rakenteen halogeeneilla, esimerkiksi SF 6:lla ja SeF 6:lla, ja monilla monimutkaisilla ioneilla: 2–, 3– jne. Kuvassa 28 esittää rikkiheksafluoridimolekyylin muodostumista.

Riisi. 28. SF 6 -molekyylin kaavio

Kemialliset sidokset, joihin liittyy hybridiorbitaalit, ovat erittäin vahvoja. Jos "puhtaiden" s-orbitaalien muodostama s-sidosenergia otetaan yksikkönä, niin sidosenergia sp-hybridisaation aikana on 1,43, sp 2 -hybridisaation kanssa 1,99, sp 3 -hybridisaation kanssa 2,00 ja sp 3 d 2 -hybridisaation aikana 2,92 . Sidoslujuuden kasvu selittyy hybridiorbitaalien täydellisemmällä päällekkäisyydellä ei-hybridiorbitaalien kanssa kemiallisen sidoksen muodostumisen aikana.

Käsiteltyjen hybridisaatiotyyppien lisäksi, in kemialliset yhdisteet on hybridisaatioita sp 2 d, sp 3 d, sp 3 d 3, sp 3 d 3 ja muita. Sp 2 d -hybridisaatiolla molekyylit ja ionit ovat neliön muotoisia, sp 3 d -hybridisaatiolla ne ovat trigonaalisen bipyramidin muotoisia ja sp 3 d 3 -hybridisaatiolla viisikulmaisia ​​bipyramideja. Muut hybridisaatiotyypit ovat harvinaisia.

Esimerkki 8 Kahden samanlaisen reaktion yhtälöt on annettu:

1) CF4 + 2HF = H2CF6; 2) SiF 4 + 2HF = H 2 SiF 6

Mikä niistä on mahdotonta kemiallisten sidosten muodostumisen kannalta?

Ratkaisu. H 2 CF 6:n muodostamiseksi sp 3 d 2 -hybridisaatio on välttämätöntä, mutta hiiliatomissa valenssielektronit ovat toisella energiatasolla, jolla ei ole d-orbitaaleja. Siksi ensimmäinen reaktio on periaatteessa mahdoton. Toinen reaktio on mahdollinen, koska sp 3 d 2 -hybridisaatio on mahdollista piissä.

Kovalenttinen sidos on yleisin maailmassa eloperäinen aine, sille on ominaista kylläisyys, polarisoituvuus ja suuntautuminen avaruudessa.

Kovalenttisen sidoksen kyllästyminen on, että atomin muodostamien yhteisten elektroniparien lukumäärä on rajoitettu. Tästä johtuen kovalenttisilla yhdisteillä on tiukasti määritelty koostumus. Siksi esimerkiksi H2-, N2-, CH4-molekyylejä on, mutta H3-, N4-, CH5-molekyylejä ei ole.

Kovalenttisen sidoksen polarisoituvuus piilee molekyylien (ja niissä olevien yksittäisten sidosten) kyvyssä muuttaa polariteettiaan ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta - olla polarisoitunut.

Polarisoinnin seurauksena ei-polaariset molekyylit voivat muuttua polaarisiksi ja polaariset voivat muuttua vielä polaarisemmiksi yksittäisten sidosten täydelliseen katkeamiseen ionien muodostumisen myötä:

Kovalenttisen sidoksen orientaatio johtuu siitä, että p-, d- ja f-pilvet ovat tietyllä tavalla orientoituneet avaruudessa. Kovalenttisen sidoksen suunta vaikuttaa aineiden molekyylien muotoon, niiden kokoon, atomien välisiin etäisyyksiin, valenssikulmaan eli molekyylien geometriaan.

Täydellisempi ymmärrys orgaanisten ja molekyylien muodosta epäorgaaniset aineet voidaan koota atomiorbitaalien hybridisaatiohypoteesin perusteella. L. Pauling (USA) ehdotti, että se selittää tosiasian kaikkien kemiallisten sidosten vastaavuudesta ja niiden symmetrisestä järjestelystä suhteessa CH4-, BF3-, BeCl2-molekyylien keskustaan, mikä on määritetty fysikaalisilla aineiden tutkimismenetelmillä. σ-sidosten muodostumiseen kussakin tapauksessa keskusatomista (C, B, Be) olisi pitänyt osallistua elektroneja eri tiloissa (s ja p), joten ne eivät voineet olla ekvivalentteja. Teoria osoittautui kykenemättömäksi selittämään tosiasioita, syntyi ristiriita, joka ratkaistiin uuden hypoteesin avulla. Tämä on yksi esimerkeistä, jotka osoittavat ihmisten tietämyksen kehittymisen ympäröivästä maailmasta, mahdollisuuden tunkeutua yhä syvemmälle ilmiöiden olemukseen.

Tutustuit orgaanisen kemian aikana atomikiertoradan hybridisaatiohypoteesiin hiiliatomin esimerkin avulla. Muista tämä uudelleen.

Kun metaanimolekyyli CH 4 muodostuu, hiiliatomi siirtyy perustilasta virittyneeseen:

Virittyneen hiiliatomin ulompi elektronikerros sisältää yhden s- ja kolme paritonta p-elektronia, jotka muodostavat neljä σ-sidosta neljän vetyatomin s-elektronin kanssa. On odotettavissa, että kolme C-H liitännät, joka muodostuu hiiliatomin kolmen p-elektronin pariliitosta kolmen vetyatomin kolmen s-elektronin kanssa (s-p σ-sidos), tulisi erota neljännestä (s-s) sidoksesta lujuuden, pituuden, suunnan suhteen. Metaanimolekyylien elektronitiheyden tutkimus osoittaa, että kaikki sen molekyylin sidokset ovat ekvivalentteja ja suuntautuvat tetraedrin kärkeä kohti (kuva 10). Atomiorbitaalien hybridisaation hypoteesin mukaan metaanimolekyylistä muodostuu neljä kovalenttista sidosta, joissa ei ole mukana hiiliatomin "puhtaita" s- ja p-pilviä, vaan ns. hybridi, ts. , keskiarvo, vastaavat elektronipilvet.

Riisi. 10. Metaanimolekyylin pallo ja tikku -malli

Tämän mallin mukaan hybridiatomiorbitaalien lukumäärä on yhtä suuri kuin alkuperäisten "puhtaiden" kiertoratojen lukumäärä. Vastaavat hybridipilvet ovat geometrisesti edullisempia kuin s- ja p-pilvet, niiden elektronitiheys jakautuu eri tavalla, mikä tarjoaa täydellisemmän päällekkäisyyden vetyatomien s-pilvien kanssa kuin "puhtailla" s- ja p-pilvillä olisi.

Metaanimolekyylissä ja muissa alkaaneissa sekä kaikissa orgaanisten yhdisteiden molekyyleissä yksittäisen sidoksen kohdalla hiiliatomit ovat sp 3 -hybridisaatiotilassa, eli yksi s- ja kolme p-atomipilviä on läpikäynyt hybridisaatio hiiliatomissa ja neljä identtistä hybridi sp 3 -atomiorbitaalia pilvessä.

Hiiliatomin vastaavien neljän hybridi-sp 3 -pilven päällekkäisyyden seurauksena neljän vetyatomin s-pilven kanssa muodostuu tetraedrinen metaanimolekyyli, jossa on neljä identtistä σ-sidosta, jotka sijaitsevat 109°28" kulmassa ( kuva 11).

Riisi. yksitoista.
Kaaviot valenssielektronipilvien sp 3 -hybridisaatiosta (a) ja sidosten muodostumisesta metaanimolekyylissä (b)

Tämän tyyppinen atomien hybridisaatio ja siten tetraedrirakenne luonnehtii myös hiilianalogin - piin yhdisteiden molekyylejä: SiH 4 , SiCl 4 .

Vesi- ja ammoniakkimolekyylien muodostumisen aikana tapahtuu myös happi- ja typpiatomien valenssiatomiorbitaalien sp 3 -hybridisaatiota. Kuitenkin, jos hiiliatomissa kaikki neljä hybridi-sp 3 -pilveä ovat yhteisten elektroniparien miehittämiä, niin typpiatomissa yksi sp 3 -pilvi on jaettu elektroniparilla ja happiatomissa ne jo kaksi sp 3 -pilveä ( kuva 12).

Riisi. 12.
Ammoniakin, veden ja fluorivedyn molekyylien muodot

Jakamattomien elektroniparien läsnäolo johtaa sidoskulmien pienenemiseen (taulukko 8) verrattuna tetraederisiin pareihin (109°28").

Taulukko 8
Yksinäisten elektroniparien lukumäärän ja molekyylien sidoskulman välinen suhde

sp 3 -Hybridisaatiota ei havaita vain atomeille monimutkaiset aineet, mutta myös atomeille yksinkertaiset aineet. Esimerkiksi sellaisen hiilen allotrooppisen muunnelman atomit kuin timantti.

Joidenkin booriyhdisteiden molekyyleissä tapahtuu booriatomin valenssiatomiorbitaalien sp 2 -hybridisaatiota.

Herätetylle booriatomille hybridisaatioon osallistuu yksi s- ja kaksi p-orbitaalia, jolloin muodostuu kolme sp 2 -hybridiorbitaalia, vastaavien hybridipilvien akselit sijaitsevat tasossa 120° kulmassa toisiinsa nähden (kuva 11). . 13).

Riisi. 13.
Kaaviot 8p 2 -hybridisaatiosta ja sp 2 -pilvien järjestelystä avaruudessa

Siksi tällaisten yhdisteiden, esimerkiksi BF3:n, molekyyleillä on litteän kolmion muoto (kuvio 14).

Riisi. neljätoista.
BF3-molekyylin rakenne

Kuten tiedät, orgaanisissa yhdisteissä sp 2 -hybridisaatio on ominaista hiiliatomeille alkeenimolekyyleissä kaksoissidoskohdassa, mikä selittää näiden molekyylien osien tasomaisen rakenteen, samoin kuin dieeni- ja areenimolekyylit. sp 2 -Hybridisaatiota havaitaan myös hiiliatomeissa ja sellaisessa hiilen allotrooppisessa modifikaatiossa kuin grafiitti.

Joidenkin berylliumyhdisteiden molekyyleissä havaitaan viritetyssä tilassa olevan berylliumatomin valenssiorbitaalien sp-hybridisaatiota.

Kaksi hybridipilveä on suunnattu suhteessa toisiinsa 180°:n kulmassa (kuva 15), ja siksi berylliumkloridi BeCl2-molekyylillä on lineaarinen muoto.

Riisi. viisitoista.
Kaavioita sp-hybridisaatiosta ja sp-pilvien järjestelystä avaruudessa

Samanlainen atomiorbitaalien hybridisaatio on olemassa hiiliatomeille alkyyneissä - asetyleenisarjan hiilivedyissä - kolmoissidoksen kohdassa.

Tällainen orbitaalien hybridisaatio on tyypillistä hiiliatomeille toisessa sen allotrooppisessa modifikaatiossa - karbiinissa:

Taulukossa 9 esitetään molekyylien geometristen konfiguraatioiden tyypit, jotka vastaavat tiettyjä keskusatomin A kiertoradan hybridisaatiotyyppejä, ottaen huomioon vapaiden (sitoutumattomien) elektroniparien lukumäärän vaikutuksen.

Taulukko 9
Molekyylien geometriset konfiguraatiot, jotka vastaavat eri tyyppejä keskusatomin ulkoisten elektronien kiertoradan hybridisaatio

Kysymykset ja tehtävät § 7:ään

1. Hiilen, typen ja hapen vetyyhdisteiden molekyyleissä, joiden kaavat ovat CH 4, NH 3 ja H 2 O, epämetallien keskusatomien valenssiorbitaalit ovat sp 3 -hybridisaatiotilassa, mutta sidoskulmat sidosten välillä ovat erilaiset - 109 ° 28 "107 ° 30" ja 104 ° 27 ". Miten tämä voidaan selittää?
2. Miksi grafiitti ja timantti eivät johda sähköä?
3. Minkä geometrisen muodon kahden fluoridin - boorin ja typen (BF 3 ja NF 3) molekyyleillä on? Anna perusteltu vastaus.
4. Piifluoridi SiF 4 -molekyylillä on tetraedrinen rakenne ja bromikloridi BCl 3 -molekyyli on tasoltaan kolmion muotoinen. Miksi?