10. ГИБРИДИЗАЦИЯ
10.1. Тетраэдрическая sp3-гибридизация.
Говоря о многоатомных молекулах с позиций метода молекулярных орбиталей, рассмотрим подробнее химию углерода. Электронная конфигурация атома С такова (1s)2(2s)2(2px)2(2py)2, а терм 3Р0. В таком состоянии углерод двухвалентен (метилен СН2). Но большинство соединений углерода соответствуют его четырёхвалентному состоянию с конфигурацией (1s)2(2s)2(2px)2(2py)(2pz) и термом 5S. Энергия, необходимая для перехода в это возбуждённое состояние равна 96 ккал/моль (4.2 эВ). Теперь возможно спаривание четырёх электронов углерода с электронами других атомов. В этом случае углерод четырёхвалентен, но связи должны быть разными - 2 s- и 2 p-связи. Углы между связями должны быть равны 900. Однако опыт этого не подтверждает. Для метана (СН4) экспериментальные физические (вращательно-колебательные спектры) и химические (отсутствие изомеров СН*Н**3, СН*2Н**2) данные свидетельствуют о том, что все 4 связи эквивалентны и направлены под углами 1090 28¢ друг к другу. Эти и другие экспериментальные данные заставили сделать новый шаг в теоретической химии: отказаться от чёткого разделения на s- и р-орбитали и смешать их между собой. Так возникло понятие смешанных или “гибридных” орбиталей (Полинг, 1931).
Рис.10.1. Молекула метана, вписанная в куб. а, б, в, г – позиции атомов водорода; s (в центре куба), px, py, pz – атомные орбитали углерода.
Для того, чтобы определить вероятность (вес) спаривания электрона водорода (1s) с электронами углерода (s + p3), рассмотрим рис.10.1, где электроны водородов обозначены буквами а, б, в, г, а электроны углерода s, px, py, pz. Атом углерода находится в центре куба, половина вершин которого занята атомами водорода (вершины тетраэдра). Из рисунка видно, что вероятности спаривания электрона водорода а (или б, в, г) с любым электроном углерода близки. Естественно предположить, что вместо такого поочерёдного спаривания возникает полное спаривание электрона водорода с какой-либо подходящей линейной комбинацией всех валентных электронов углерода. Условия симметрии показывают, что атомная орбиталь водорода а будет спариваться с составной орбиталью атома углерода следующего вида (здесь и далее вместо обозначения для волновой функции буквы Y будут использованы латинские буквы, соответствующие атомным орбиталям):
.
(10.1)
После нормировки:
.
(10.2)
Здесь pa - атомная орбиталь 2рs-типа, направленная от атома углерода к атому водорода а. Для трёх остальных гибридных АО можно записать:
,
,
,
где ta ... tг - четыре гибридные АО, направленные из центра к четырём вершинам тетраэдра. Такой тип смешивания АО называется тетраэдрической гибридизацией. Гибридные АО ta ... tг направлены к присоединённым группам (атомам) а ... г. Их направленности выражены даже более сильно, чем направленности р-орбиталей. Со стороны перекрывания электронных облаков орбитали суммируются, а с другой стороны от ядра – ослабляются. Это приводит к тому, что со стороны присоединяемого атома концентрируется 7/8 заряда, в то время как при образовании связей с участием обычных s- или р-орбиталей всего 1/2 заряда. В результате получается картина, представленная на рис.10.2.
Рис.10.2. Граничные поверхности волновой функции при образовании sp3-гибридизации.
Вследствие сильной концентрации заряда тетраэдрическая атомная орбиталь способна перекрываться с АО присоединяемой группы в гораздо большей степени, чем в простых s- и p-связях.
Волновая функция МО электронов гибридизированной связи обладает аксиальной симметрией относительно линии, соединяемых атомов, поэтому связи такого рода будут связями s-типа.
10.2. Тригональные и диагональные гибридные АО.
Помимо тетраэдрической возможны и другого типа гибридизации. В частности, тригональная и диагональная, которые представлены на рис.10.3. Тригональная гибридизация образуется при смешивании одной s- и двух р-орбиталей. Соответствующая ей АО может быть записана в следующем виде (с учётом нормировки):
(10.3)
Все 3 тригональные гибридные АО находятся в одной плоскости и угол между ними составляет 1200.
Диагональная гибридизация возникает с участием одной s- и одной р-орбиталей. Обе диагональные гибридные АО располагаются на одной оси, т.е. угол между ними 1800. Аналитически диагональная гибридная АО выражается так:
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.