Гибридизация и геометрия молекул

Виды химических связей: σ и π

Пространственное строение молекулы во многом зависит от того, как перекрываются электронные облака атомов при образовании химических связей.

• $\_sigma$-связь (сигма-связь) возникает при перекрывании орбиталей вдоль оси, соединяющей ядра атомов. Она может образовываться при взаимодействии двух $s$-орбиталей ($H_2$), $s$- и $p$-орбиталей ($HCl$) или двух $p$-орбиталей ($Cl_2$).
• $\_pi$-связь (пи-связь) формируется за счет бокового перекрывания негибридизованных $p$-орбиталей ($p_y$ или $p_z$) над и под плоскостью связи. Это происходит, когда пространство на оси между ядрами уже занято $\_sigma$-связью.

Количество $\_pi$-связей определяет кратность связи: двойная связь состоит из одной $\_sigma$- и одной $\_pi$-связи, а тройная — из одной $\_sigma$- и двух $\_pi$-связей. Наличие $\_pi$-связей значительно увеличивает прочность молекулы (например, у азота $N_2$ с тройной связью энергия достигает 946 кДж/моль).

Основные типы гибридизации

В зависимости от числа участвующих орбиталей выделяют три основных типа гибридизации, характерных, например, для атома углерода:

1. $sp$-гибридизация. Смешиваются одна $s$- и одна $p$-орбиталь. Образуются две одинаковые гибридные орбитали, вытянутые в противоположные стороны. Угол между ними составляет 180°, что задает линейную геометрию (пример — ацетилен $C_2H_2$ и углекислый газ $CO_2$). Две оставшиеся негибридные $p$-орбитали могут образовывать две $\_pi$-связи.
2. $sp^2$-гибридизация. Участвуют одна $s$- и две $p$-орбитали. Возникают три гибридные орбитали, лежащие в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Строение молекулы — плоскостное (пример — этилен $C_2H_4$). Оставшаяся перпендикулярная $p$-орбиталь формирует одну $\_pi$-связь.
3. $sp^3$-гибридизация. Включает одну $s$- и все три $p$-орбитали одного уровня. Результат — четыре гибридные орбитали, направленные к вершинам тетраэдра под равными углами 109,5°. Молекула имеет тетраэдрическое строение (примеры — метан $CH_4$ или кристалл алмаза).

Особые случаи: связь без гибридизации и d-элементы

Не все молекулы образуются с участием гибридизации. У некоторых атомов (например, серы и фосфора) в основном состоянии на внешнем уровне есть неспаренные $p$-электроны, расположенные на взаимно перпендикулярных $p$-орбиталях.

При образовании соединений водорода с фосфором (фосфин $PH_3$) и серой (сероводород $H_2S$) химические связи формируются чистыми, негибридизованными $p$-орбиталями. Поскольку исходные $p$-орбитали находятся под углом 90° друг к другу, валентные углы в этих молекулах близки к прямым (около 93°).

У металлов $d$-блока валентными являются также $d$-орбитали. Если в гибридизации участвуют две $d$-, одна $s$- и три $p$-орбитали (тип $d^2sp^3$-гибридизации), то образуются 6 гибридных орбиталей, направленных к вершинам октаэдра. Это типично для октаэдрических комплексных соединений.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Электронное строение атомов фосфора и серы в основном состоянии
• Схема образования связей в молекуле ацетилена (C2H2)
• Влияние кратных связей на энергию молекулы (на примере азота, кислорода и фтора)
• Перекрывание орбиталей при формировании комплексных соединений металлов d-блока

Другие темы раздела «Глава 5. Строение вещества»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.