Гібридизація атомних орбіталей

 Для передбачення реальної геометричної будови багатоатомних частинок розроблена теорія гібридизації центрального атома.

Відповідно до теорії гібридизації у часточці АВn валентні орбіталі центрального атома А, які беруть участь в утворенні σ-зв’язків А-В або містять неподілену пару електронів, не зберігають свою форму. Вони гібридизуються: змінюють форму і отримують певний напрям в просторі, а їх взаємна спрямованість максимально симетрична щодо центру атома А. При цьому перекривання гібридних орбіталей центрального атома з орбіталями сусідніх атомів по σ-зв’язкам посилюється, міцність хімічного зв’язку зростає, і часточка отримує оптимальну для неї стійкість.
Щоб визначити тип гібридизації необхідно
      1. Визначити атом, у якого відбувається гібридизація. (Це атом з більшим значенням валентності).
      2. Побудувати електронно-графічну схему цього атома в тому ступені окиснення в якому він перебуває в сполуці.
      3. Порахувати все орбіталі, що беруть участь в утворенні зв’язків.
      4. Якщо атом має неподілену пару електронів на зовнішньому енергетичному рівні, то її теж треба враховувати при визначенні типу гібридизації (вона вважається спрямованою до уявного партнеру по зв’язку).
Залежно від числа гібридних орбіталей центрального атома існує кілька типів гібридизації, що обумовлюють просторову форму часточок. (табл. 1)
Таблиця 1
Тип гібридизації центрального атома і форма частинок
Гібридизація
Кількість гібридних орбіталей
Кут зв’язку
Геометрична форма часточок
sp
2
180о
Лінійна
sp2
3
120о
Трикутна
sp3
4
109о28
Тетраедрична
sp3d
5
90о, 120о
Тригонально-біпірамідальна
sp3d2
6
90о
Октаедрична
 Приклад 1.

Визначити тип гібридизації атому Берилію і форму молекули  берилій хлориду.

Розв’язання
У збудженому стані атом Be має два неспарених електрона, один з яких займає 2s-орбіталь, а інший – 2p-орбіталь. При утворенні хімічного зв’язку ці дві різні орбіталі трансформуються в дві однакові sp-гібридні орбіталі, спрямовані під кутом 180 ° одна до одної.

Рисунок39

61
У результаті молекула BeCl2 має лінійну будову – всі три атома розташовані на одній лінії.
Приклад 2.

Визначити тип гібридизації атому Бору і форму молекули  бор хлориду.

Розв’язання
Будову молекули BCl3 можна пояснити з позицій sp2– гібридизації орбіталей атому бору, який знаходиться в збудженому стані, тому на зовнішньому електронному шарі містить один s-електрон і два p-електрона, тобто три неспарених електрона. Утворюються три рівноцінних гібридних орбіталі, які розташовані в одній площині під кутом 120o одна до одної.

Рисунок42

BCl3
Таким чином, молекула BCl3 має плоску трикутну форму.
Приклад 3.

Визначити тип гібридизації  втому Карбону і форму молекули  метану.

Розв’язання
Атом Карбону у збудженому стані  на зовнішньому  енергетичному рівні має чотири неспарених електрони на одній s-орбіталі і трьох p-орбіталях. В молекулі метану утворюються чотири  σ-зв’язки, що свідчить  про  sp3– гібридизацію орбіталей атому Карбону, між якими утворюється кут  109о28.

Рисунок43

CH4

Молекула СН4 має  форму тетраедра.

 

Два атома можуть утворювати між собою кратні (подвійні і потрійні зв’язки). Але в цих випадках все одно утворюється тільки один σ-зв’язок, а інші – π-зв’язки. Але геометричну форму молекул обумовлюють тільки σ-зв’язки.

Наприклад, в молекулі етану між атомами Карбону утворюється подвійний звязок: один – сігма і один – пі. В утворенні   σ-зв’язків беруть учать тільки три орбіталі, тому атом Карбону в молекулі етену знаходиться в стані sp2– гібридизації, утворюються три  гібридні орбіталі, які розташовані   під кутом 120o. .1318465740_image081

 

 

Гібридизація за участю неподілених електронних пар

Якщо у центрального атому  є неподілені електронні пари, то вони теж беруть участь у процесі гібридизації. Але орбіталі, на яких знаходяться неподілені пари електронів відштовхуються між собою декілька сильніше, ніж від орбіталей, що беруть участь в утворенні зв’язку. В таких випадках відбувається зменшення реальних валентних кутів.
Наприклад, у молекулах води й амоніаку загальне число електронних пар центрального атома (О і N) дорівнює чотирьом. Обидва атоми знаходяться у стані  sp3-гібридизації. При цьому в молекулі води є дві, а в молекулі амоніаку – одна неподілена електронна пара. У результаті відштовхування, яке виникає між неподіленими і спільними електронними парами відбувається зменшення валентних кутів: в молекулі води – 104,5о, амоніаку – 107,3о.\
Рисунок45

гібридизація в молекулі амоніаку

Рисунок44

 

 

Отже, розглянемо будову часточок, про які йшла мова в завданнях Харківської обласної хімічної олімпіади у 2011 році.

Задача «Рівняння».
1. Відновіть пропущені частини рівняння, а також вкажіть умови протікання реакцій і коефіцієнти (де це потрібно).
SO2 + H2O2 → … ;      HCl(к) + HNO3(к) → … ;      Au + HCl(к) + HNO3(к) → … ;
 … → K2S + K2SO3 + H2O ;     ……→Na2S + Na2SO4 ;         … → KCl + KClO4.
2. Наведіть структурні формули SO2, Н2SO3, Н2SO4, Н2S, SF4; вкажіть ступень окиснення і тип гібрідизації атома Сульфуру у цих сполуках.
Відповідь.
Рисунок46
Задача «Мінерал».
Цінний мінерал А, який використовується для отримання алюмінію, містить Натрій (масова частка 32.86%), а також Алюміній та Флуор.
      1. Виведіть формулу мінералу А.
      2. В чому суть способу добування алюмінію за допомогою цього мінералу? Наведіть відповідні реакції.
      3. Наведіть геометричну будову комплексного іона, що входить до складу мінералу А, вкажіть тип гібридизації центрального атома.
Відповідь.

В задачі йшла мова про кріоліт Na3AlF6.  Комплексний йон має октаедричну будову, яка визначається sp3d2 гібридизацією  атома Алюмінію.

Рисунок47

Задача «Солі».
Сіль А, що містить Калій, Хлор і Оксиген, може термічно розкладатися як з утворенням газу B і солі C, так і з утворенням солей C і D. У результаті нагрівання 9.96 г солі А утворилася суміш, що містить 3.02 г солі C, причому сіль А повністю розклалася.
1. Розшифруйте речовини, якщо сіль А містить 31.9% Калію, а Хлор у солі C знаходиться в найбільш стабільному ступені окиснення. Наведіть рівняння реакцій.
2. Розрахуйте масові долі речовин в отриманій суміші.
3. Наведіть геометричну будову складних іонів у солях A і D, вкажіть тип гібридизації центральних атомів.

Відповідь.

Мова йде про солі КClO3  і КClO4. Треба визначити тип гібридизації Хлору у йонах ClO3 та ClO4 . В обох випадках Хлор знаходиться в стані  sp3-гібридизації. Йон ClO3 має форму тетраэдра з атомом Хлору у вершині, тому, що є одна неподілена електронна пара, а йон ClO4–  – це  тетраэдр з атомом Хлору в центрі.

htmlconvd-LyvU1f_html_m31f4c878

htmlconvd-LyvU1f_html_m3740ab2b