ДОВІДНИК З ХІМІЇ

ХІМІЧНИЙ ЗВ’ ЯЗОК

2.Типи хімічного зв’язку

2.3. Ковалентний зв’язок

Гібридизація орбіталей

Виходячи з конфігурації електронів, атом Карбону мав би бути двовалентним, утворюючи зв’язки в результаті перекривання двох напівзайнятих 2р-орбіталей з орбіталями інших атомів.

Проте це не так:

- Карбон у своїх сполуках найчастіше є чотиривалентним.

- У молекулі метану є чотири ідентичні зв’язки, які направлені до кутів правильного тетраедра.

Чотиривалентність атома Карбону пояснюється розспарюванням електронів, тобто переходом одного 2s -електрона на енергетично вищий підрівень 2р. Для переходу в збуджений стан потрібна енергія збудження.

Такий стан не пояснює геометрію молекули, оскільки чотири зв’язки повинні бути ідентичними. Тобто орбіталі, що надані для зв’язку, мають «вирівнятися» за формою й енергією, і на цей процес потрібно затратити енергію. Уніфікацію різних орбіталей називають гібридизацією атомних орбіталей. Утворені гібридні орбіталі необхідно розглядати як гібриди первинних орбіталей.

Гібридизацію однієї s -орбіталі і трьох p -орбіталей називають sp³ -гібридизацією орбіталей. Утворені при цьому чотири орбіталі є sp³ -гібридними орбіталями. Вони утворюють просторову структуру у формі тетраедра з кутом між орбіталями 109,5°.

Приклад, у молекулі метану одна 2s - і три 2р-орбіталі атома Карбону гібридизовані в чотири ідентичні орбіталі. Вони утворюють з s -орбіталями атомів Гідрогену по одному σ -зв’язку.

Увага: іншими прикладами утворення sp³ -гібридних орбіталей є атоми Карбону в кристалічній гратці алмазу, атоми Оксигену в молекулах води і атоми Нітрогену в молекулах амоніаку. При цьому атоми Карбону, Оксигену чи Нітрогену в sp³ -гібридному стані також знаходяться в центрі тетраедра:

Структури цих трьох молекул можна пояснити за допомогою моделі:

- в алмазі від кожного атома Карбону виходять чотири однакових sp³ -орбіталі, які утворюють чотири міцні ковалентні зв’язки з чотирма сусідніми атомами Карбону. Тривимірна «гігантська молекула», яка виникла в результаті цього, має високу твердість і високу точку плавлення;

- у молекулі води лише дві з чотирьох sp³ -гібридних орбіталей атома Оксигену вступають у зв’язок з атомами Гідрогену. Тому молекула має кутову форму;

- у молекулі амоніаку три з чотирьох sp³ -гібридних орбіталей атома Нітрогену вступають у зв’язок з атомом Гідрогену. Тому молекула утворює трикутну піраміду.

Структуру сполук, молекули яких мають подвійні зв’язки між атомами Карбону, не можна пояснити sp³ -гібридизацією орбіталей атома Карбону. У цих молекулах кожен атом Карбону утворює три однакові гібридні орбіталі, до того ж одна р-орбіталь атома Карбону вилучена з гібридизації, оскільки вона потрібна для утворення π -зв’язку. Отже, в гібридизації орбіталей беруть участь одна s - і дві р-орбіталі.

Гібридизацію однієї s - і двох p -орбіталей називають sp² -гібридизаціею. Утворені при цьому три орбіталі є sp² -гібридними орбіталями. Вони розташовані в одній площині з кутом між орбіталями 120°. Перпендикулярно до них розташована негібридна р-орбіталь.

Приклад. У молекулі етену кожен атом Карбону утворює три σ -зв’язки і один π -зв’язок між атомами Карбону.

У кристалічній ґратці графіту і в молекулі бензену атоми Карбону знаходяться в стані sp² -гібридизації. В обох випадках атоми Карбону утворюють плоскі шестичленні кільця.

Негібридні р-орбіталі, розташовані вертикально до цієї площини, перекриваються між собою, утворюючи спільну π -орбіталь, в якій електрони не сполучені з якимось певним атомом Карбону.

У молекулі етину між атомами Карбону існує потрійний зв’язок. При цьому з гібридизації орбіталей атома Карбону вилучаються дві p -орбіталі.

Гібридизацію однієї s - і однієї р-орбіталі називають sp -гібридизаціао. Утворені при цьому дві орбіталі є sp -гібридними орбіталями. Вони лежать на одній прямій лінії і утворюють кут між орбіталями 180°. Обидві негібридні р-орбіталі розташовані перпендикулярно до цієї прямої і утворюють між собою прямий кут.

Приклад. У молекулі етину кожен атом Карбону утворює два σ -зв’язки і два π -зв’язки між атомами Карбону.