ادامه ابتدا را در № 15, 16/2004

درس 5. هیبریداسیون
اوربیتال های اتمی کربن

یک پیوند شیمیایی کووالانسی با استفاده از جفت‌های الکترون پیوند مشترک از نوع زیر تشکیل می‌شود:

تشکیل یک پیوند شیمیایی، به عنوان مثال. فقط الکترون های جفت نشده می توانند یک جفت الکترون مشترک با یک الکترون «بیگانه» از اتم دیگر ایجاد کنند. هنگام نوشتن فرمول های الکترونیکی، الکترون های جفت نشده یکی یکی در سلول مداری قرار می گیرند.
اوربیتال اتمیتابعی است که چگالی ابر الکترونی را در هر نقطه از فضای اطراف هسته یک اتم توصیف می کند. ابر الکترونی ناحیه ای از فضا است که می توان الکترون را با احتمال زیاد در آن یافت.
برای تطبیق ساختار الکترونیکی اتم کربن و ظرفیت این عنصر، از مفهوم برانگیختگی اتم کربن استفاده می شود. در حالت عادی (تحریک نشده)، یک اتم کربن دارای دو 2 جفت نشده است آر 2-الکترون در حالت برانگیخته (هنگامی که انرژی جذب می شود) یکی از 2 س 2 -الکترون ها می توانند به رایگان بروند آر- مداری سپس چهار الکترون جفت نشده در اتم کربن ظاهر می شوند:

به یاد بیاورید که در فرمول الکترونیکیاتم (به عنوان مثال، برای کربن 6 С - 1 س 2 2س 2 2پ 2) اعداد بزرگ جلوی حروف - 1، 2 - تعداد سطح انرژی را نشان می دهد. نامه ها سو آرشکل ابر الکترونی (اوربیتال) را نشان می دهد و اعداد سمت راست بالای حروف تعداد الکترون های آن مدار را نشان می دهد. همه چیز س- اوربیتال های کروی:

در سطح انرژی دوم، به جز 2 س-اوربیتال ها سه عدد هستند 2 آر- مداری این 2 آر-اوربیتال ها شکلی بیضوی دارند که شبیه دمبل است و در فضا با زاویه 90 درجه نسبت به یکدیگر جهت گیری می کنند. 2 آر-اوربیتال ها مخفف 2 هستند p x, 2p yو 2 p zبا توجه به محورهایی که این مدارها در امتداد آنها قرار دارند.

هنگامی که پیوندهای شیمیایی تشکیل می شود، اوربیتال های الکترونی شکل یکسانی پیدا می کنند. بنابراین، در هیدروکربن های اشباع، یکی مخلوط می شود س- مداری و سه آر-اوربیتال های یک اتم کربن با تشکیل چهار اتم یکسان (هیبرید) sp 3-اوربیتال ها:

این - sp 3-هیبریداسیون
هیبریداسیون- هم ترازی (اختلاط) اوربیتال های اتمی ( سو آر) با تشکیل اوربیتال های اتمی جدید، به نام اوربیتال های ترکیبی.

اوربیتال های هیبریدی شکلی نامتقارن دارند که به سمت اتم متصل کشیده شده اند. ابرهای الکترونی یکدیگر را دفع می کنند و تا حد امکان در فضا قرار دارند. در این مورد، محورهای چهار sp 3-اوربیتال های ترکیبیمعلوم می شود که به سمت رئوس چهار وجهی (هرم مثلثی منظم) هدایت می شود.
بر این اساس، زوایای بین این اوربیتال‌ها چهار وجهی است، برابر با 109 درجه و 28 اینچ.
رئوس اوربیتال های الکترونی می توانند با اوربیتال های اتم های دیگر همپوشانی داشته باشند. اگر ابرهای الکترونی در امتداد خطی که مراکز اتم ها را به هم متصل می کند همپوشانی داشته باشند، چنین پیوند کووالانسی نامیده می شود. سیگما () - ارتباط... به عنوان مثال، در یک مولکول اتان C 2 H 6، یک پیوند شیمیایی بین دو اتم کربن با همپوشانی دو اوربیتال هیبریدی تشکیل می شود. این یک ارتباط است. علاوه بر این، هر یک از اتم های کربن سه اتم خاص خود را دارند sp 3-اوربیتال ها با هم همپوشانی دارند ساوربیتال های سه اتم هیدروژن، تشکیل سه پیوند.

در مجموع، سه حالت ظرفیت با انواع مختلف هیبریداسیون برای یک اتم کربن امکان پذیر است. بعلاوه sp 3-هیبریداسیون وجود دارد sp 2 - و sp-هیبریداسیون
sp 2 -هیبریداسیون- مخلوط کردن یکی س- و دو آر-اوربیتال ها در نتیجه، سه ترکیبی sp 2-اوربیتال ها اینها sp 2-اوربیتال ها در یک صفحه (با محورها) قرار دارند ایکس, در) و به سمت رئوس مثلث با زاویه بین اوربیتال های 120 درجه هدایت می شود. هیبرید نشده
آرمداری عمود بر صفحه سه هیبرید sp 2 -اوربیتال ( جهت گیری در امتداد محور z). نیمه بالایی آر-اوربیتال بالای صفحه است، نیمه پایینی زیر صفحه است.
یک نوع sp 2-هیبریداسیون کربن در ترکیباتی با پیوند دوگانه رخ می دهد: C = C، C = O، C = N. علاوه بر این، تنها یکی از پیوندهای بین دو اتم (مثلاً C = C) می تواند پیوند باشد. (سایر اوربیتال های پیوند اتم در جهت مخالف هستند.) پیوند دوم از همپوشانی غیر هیبریدی تشکیل می شود. آر-اوربیتال ها در دو طرف خطی که هسته های اتمی را به هم متصل می کند.

پیوند کووالانسی از همپوشانی جانبی ایجاد می شود آر-اوربیتال های اتم های کربن مجاور نامیده می شود پی () - ارتباط.

تحصیلات -ارتباط

به دلیل همپوشانی کمتر اوربیتال ها، پیوند β نسبت به پیوند β استحکام کمتری دارد.
sp-هیبریداسیوناختلاط (تراز در شکل و انرژی) یکی است s-و یکی
آر-اوربیتال ها با تشکیل دو هیبرید sp-اوربیتال ها sp-اوربیتال ها در یک خط قرار دارند (با زاویه 180 درجه) و در جهت مخالف از هسته اتم کربن هستند. دو
آر-اوربیتال ها بدون هیبرید باقی می مانند. آنها متقابلا عمود بر هم قرار می گیرند
جهت های ارتباطی روی تصویر sp-اوربیتال ها در امتداد محور نشان داده شده اند y، و دو هیبرید نشده
آر-اوربیتال ها - در امتداد محورها ایکسو z.

پیوند کربن-کربن سه گانه CC از یک پیوند β تشکیل شده است که از همپوشانی ایجاد می شود.
sp-اوربیتال های ترکیبی و دو پیوند.
رابطه بین پارامترهای اتم کربن مانند تعداد گروه های متصل، نوع هیبریداسیون و انواع پیوندهای شیمیایی تشکیل شده در جدول 4 نشان داده شده است.

جدول 4

پیوندهای کربن کووالانسی

تعداد گروه ها مربوط با کربن	یک نوع هیبریداسیون	انواع شرکت کننده پیوندهای شیمیایی	نمونه هایی از فرمول های ترکیبی
4	sp 3	چهار - کراوات
3	sp 2	سه - کراوات و یک - پیوند
2	sp	دو - کراوات و دو اتصال	H – CC – H

تمرینات.

1. کدام الکترون های اتم (مثلاً کربن یا نیتروژن) جفت نشده نامیده می شوند؟

2. مفهوم "جفت الکترون مشترک" در ترکیبات با پیوند کووالانسی به چه معناست (به عنوان مثال، CH 4 یا H 2 S )?

3. حالت های الکترونیکی اتم ها چیست (مثلاً C یان ) اساسی نامیده می شوند و کدام هیجان زده می شوند؟

4. معنی اعداد و حروف در فرمول الکترونیکی اتم چیست (مثلاً C یان )?

5. اوربیتال اتمی چیست؟ چند اوربیتال در سطح انرژی دوم اتم C و چه تفاوتی با هم دارند؟

6. تفاوت بین اوربیتال های هیبریدی و اوربیتال های اصلی که از آنها تشکیل شده اند چیست؟

7. چه انواع هیبریداسیون برای یک اتم کربن شناخته شده است و چه هستند؟

8. تصویری از آرایش فضایی اوربیتال ها برای یکی از حالت های الکترونیکی اتم کربن رسم کنید.

9. به چه پیوندهای شیمیایی می گویند و چی? لطفا نشان بدهید-و-اتصالات در اتصالات:

10. برای اتم های کربن ترکیبات زیر، نشان دهید: الف) نوع هیبریداسیون. ب) انواع پیوندهای شیمیایی آن؛ ج) زوایای پیوند.

پاسخ تمرینات مبحث 1

درس 5

1. الکترون هایی که در یک زمان در مدار قرار دارند نامیده می شوند الکترون های جفت نشده... به عنوان مثال، در فرمول پراش الکترون یک اتم کربن برانگیخته، چهار الکترون جفت نشده وجود دارد، در حالی که یک اتم نیتروژن دارای سه الکترون است:

2. دو الکترون که در تشکیل یک پیوند شیمیایی شرکت می کنند نامیده می شوند جفت الکترونیکی مشترک... معمولاً قبل از تشکیل پیوند شیمیایی، یکی از الکترون های این جفت متعلق به یک اتم و الکترون دیگر متعلق به اتم دیگری بود:

3. حالت الکترونیکی یک اتم که در آن ترتیب پر شدن اوربیتال های الکترونی رعایت می شود: 1 س 2 , 2س 2 , 2پ 2 , 3س 2 , 3پ 2 , 4س 2 , 3د 2 , 4پ 2 و غیره نامیده می شوند حالت اساسی... V حالت هیجانییکی از الکترون های ظرفیت اتم یک اوربیتال آزاد با انرژی بالاتر را اشغال می کند، چنین انتقالی با جداسازی الکترون های زوج همراه است. به صورت شماتیک به صورت زیر نوشته شده است:

در حالی که در حالت پایه فقط دو الکترون جفت نشده ظرفیتی وجود دارد، در حالت برانگیخته چهار الکترون از این قبیل وجود دارد.

5. اوربیتال اتمی تابعی است که چگالی ابر الکترونی را در هر نقطه از فضای اطراف هسته یک اتم مشخص می کند. در سطح انرژی دوم اتم کربن، چهار اوربیتال وجود دارد - 2 س, 2p x, 2p y, 2p z... این اوربیتال ها متفاوت هستند:
الف) شکل ابر الکترونی ( س- توپ، آر- دمبل)؛
ب) آراوربیتال ها جهت گیری های متفاوتی در فضا دارند - در امتداد محورهای متقابل عمود بر هم ایکس, yو z، نشان داده می شوند p x, p y, p z.

6. اوربیتال های ترکیبی از نظر شکل و انرژی با اوربیتال های اصلی (غیر هیبریدی) تفاوت دارند. برای مثال، س- مداری - شکل یک کره، آر- شکل متقارن هشت، sp-اوربیتال هیبریدی - نامتقارن شکل هشت.
تفاوت انرژی: E(س) < E(sp) < E(آر). به این ترتیب، sp-orbital - اوربیتال به طور میانگین از شکل و انرژی بدست می آید که با مخلوط کردن اوربیتال اصلی به دست می آید س- و پ-اوربیتال ها

7. سه نوع هیبریداسیون برای اتم کربن شناخته شده است: sp 3 , sp 2 و sp (متن درس 5 را ببینید).

9. -bond - یک پیوند کووالانسی که از روی هم قرار گرفتن اوربیتال ها در امتداد خطی که مراکز اتم ها را به هم متصل می کند، ایجاد می شود.
-bond - یک پیوند کووالانسی که از همپوشانی جانبی تشکیل می شود آر-اوربیتال ها در دو طرف خطی که مراکز اتم ها را به هم متصل می کند.
-پیوند با خط تیره دوم و سوم بین اتم های متصل نشان داده می شود.

با هیبریداسیونیک فرآیند اختلاط فرضی از انواع مختلف، اما از نظر انرژی نزدیک، اوربیتال های یک اتم معین با ظاهر همان تعداد اوربیتال جدید (هیبرید 1) از نظر انرژی و شکل یکسان نامیده می شود.

هیبریداسیون اوربیتال های اتمی در طول تشکیل پیوندهای کووالانسی اتفاق می افتد.

اوربیتال های هیبریدی شکل یک شکل نامتقارن سه بعدی هشت را دارند که به شدت به یک طرف از هسته اتم کشیده شده است.

این شکل نسبت به اوربیتال های اتمی خالص باعث همپوشانی اوربیتال های هیبریدی با اوربیتال های (خالص یا ترکیبی) اتم های دیگر می شود و منجر به تشکیل پیوندهای کووالانسی قوی تری می شود. بنابراین، انرژی صرف شده برای هیبریداسیون اوربیتال های اتمی به دلیل تشکیل پیوندهای کووالانسی قوی تر با مشارکت اوربیتال های هیبریدی، بیش از آن با آزاد شدن انرژی جبران می شود. نام اوربیتال های هیبریدی و نوع هیبریداسیون با تعداد و نوع اوربیتال های اتمی درگیر در هیبریداسیون تعیین می شود، به عنوان مثال: sp-, sp 2 -, sp 3 -, sp 2 د- یاsp 3 د 2 -هیبریداسیون.

جهت اوربیتال های هیبریدی، و در نتیجه هندسه مولکول، به نوع هیبریداسیون بستگی دارد. در عمل، معمولاً مشکل معکوس حل می شود: ابتدا، هندسه مولکول به صورت آزمایشی تعیین می شود، پس از آن، نوع و شکل اوربیتال های ترکیبی درگیر در تشکیل آن توضیح داده می شود.

sp -هیبریداسیون دو هیبرید sp- در نتیجه دافعه متقابل، اوربیتال ها نسبت به هسته اتم به گونه ای قرار می گیرند که زاویه بین آنها 180 درجه است (شکل 7).

برنج. 7. ترتیب متقابلدر فاصله دو sp- اوربیتال های ترکیبی یک اتم: آ -سطوحی که مناطقی از فضا را می پوشانند که احتمال وجود الکترون 90٪ است. ب -تصویر مشروط

در نتیجه این آرایش اوربیتال های ترکیبی، مولکول های ترکیب AX 2، که در آن A اتم مرکزی است، ساختار خطییعنی پیوندهای کووالانسی هر سه اتم روی یک خط مستقیم قرار دارند. مثلا در یک ایالت sp- هیبریداسیون اوربیتال های ظرفیتی اتم بریلیم در مولکول BeCl 2 هستند (شکل 8). پیکربندی خطی به دلیل sp- هیبریداسیون اوربیتال های ظرفیت اتم ها نیز در BeH 2، Be (CH 3) 2، ZnCl 2، CO 2، HC≡N و تعدادی دیگر مشاهده شده است.

برنج. 8. مولکول خطی سه اتمی کلرید بریلیم BeCl 2 (در حالت گازی): 1 - 3R-اوربیتال اتم کلر؛ 2 - دو sp- اوربیتال های ترکیبی اتم Be.

س آر 2 -هیبریداسیون هیبریداسیون یکی را در نظر بگیرید س- و دو R-اوربیتال ها در این حالت، در نتیجه یک ترکیب خطی از سه اوربیتال، سه هیبرید سآر 2 - مداری آنها در یک صفحه با زاویه 120 درجه نسبت به یکدیگر قرار دارند (شکل 9). سآر 2 هیبریداسیون مشخصه بسیاری از ترکیبات بور است که همانطور که در بالا نشان داده شد در حالت برانگیخته دارای سه الکترون جفت نشده است: س- و دو آر-الکترون با هم تداخل دارند سآر 2 -اوربیتال های اتم بور با اوربیتال های اتم های دیگر، سه پیوند کووالانسی تشکیل می شود که از نظر طول و انرژی معادل هستند. مولکول هایی که در آنها اوربیتال های ظرفیت اتم مرکزی در حالت قرار دارند سآر 2 هیبریداسیون، دارای یک پیکربندی مثلثی است. زاویه بین پیوندهای کووالانسی 120 درجه است. قادر به سآر 2 هیبریداسیون اوربیتال های ظرفیت اتم های بور در مولکول های BF 3، BC1 3، اتم های کربن و نیتروژن در آنیون های CO 3 2 -، NO 3 - هستند.

برنج. 9. آرایش متقابل در فضای سه سآر 2 -اوربیتال های ترکیبی

س آر 3 -هیبریداسیون موادی در مولکول‌هایی که اتم مرکزی آن‌ها چهار عدد را شامل می‌شود بسیار گسترده هستند سآر 3 -اوربیتال ها در نتیجه ترکیب خطی یک شکل گرفته اند س- و سه آر-اوربیتال ها این اوربیتال ها با زاویه 109˚28' نسبت به یکدیگر قرار دارند و به سمت رئوس چهار وجهی هدایت می شوند که در مرکز آن یک هسته اتمی وجود دارد (شکل 10 a).

تشکیل چهار پیوند کووالانسی معادل به دلیل همپوشانی سآر 3 -اوربیتال ها با اوربیتال های اتم های دیگر مشخصه اتم های کربن و سایر عناصر گروه IVA است. این ساختار چهار وجهی مولکول ها را تعیین می کند (CH 4، CC1 4، SiH 4، SiF 4، GeH 4، GeBr 4، و غیره).

برنج. 10. تأثیر جفت الکترون های غیرپیوندی بر هندسه مولکول ها:

آ- متان (بدون جفت الکترون غیر اتصال دهنده)؛

ب- آمونیاک (یک جفت الکترون غیر اتصال دهنده)؛

v- آب (دو جفت غیر الزام آور).

مدار ترکیبی جفت الکترون تنها لی . در تمام مثال‌های در نظر گرفته شده، اوربیتال‌های هیبریدی توسط تک الکترون‌ها پر شده بودند. با این حال، غیرمعمول نیست که یک اوربیتال هیبریدی توسط یک جفت الکترون "پر جمعیت" شود. این بر هندسه مولکول ها تأثیر می گذارد. از آنجایی که جفت الکترون غیرپیوندی تحت تأثیر هسته اتم خودش قرار می گیرد و جفت الکترون پیوندی تحت تأثیر دو هسته اتمی است، جفت الکترون غیر پیوندی به هسته اتم نزدیکتر از هسته پیوندی است. در نتیجه، جفت الکترون غیرپیوندی، جفت‌های الکترون پیوندی را قوی‌تر از دفع یکدیگر دفع می‌کند. از نظر گرافیکی، برای وضوح، نیروی دافعه بزرگی که بین جفت‌های الکترون غیرپیوندی و پیوندی اعمال می‌شود، می‌تواند به‌عنوان اوربیتال الکترونی بزرگ‌تر از جفت غیرپیوندی به تصویر کشیده شود. یک جفت الکترون غیرپیوندی، برای مثال، در اتم نیتروژن در مولکول آمونیاک وجود دارد (شکل 10). ب). در نتیجه برهمکنش با جفت الکترون های پیوندی، زوایای پیوند H-N-H به 107.78 درجه در مقایسه با 109.5 درجه کاهش می یابد که مشخصه یک چهار وجهی منظم است.

دافعه حتی بیشتر با پیوند جفت الکترون در یک مولکول آب، جایی که اتم اکسیژن دارای دو جفت الکترون غیرپیوندی است، تجربه می‌شود. در نتیجه، ظرفیت زاویه H-O-Hدر یک مولکول آب 104.5 درجه است (شکل 10 v).

اگر یک جفت الکترون غیر پیوندی، در نتیجه تشکیل یک پیوند کووالانسی توسط مکانیسم دهنده-گیرنده، به پیوند تبدیل شود، نیروهای دافعه بین این پیوند و سایر پیوندهای کووالانسی در مولکول برابر می شوند. زوایای بین این پیوندها نیز در یک راستا قرار دارند. این اتفاق می افتد، برای مثال، با تشکیل یک کاتیون آمونیوم:

مشارکت در هیبریداسیون د -اوربیتال ها اگر انرژی اتمی د- اوربیتال ها تفاوت چندانی با انرژی ها ندارند س- و R-اوربیتال ها، سپس آنها می توانند در هیبریداسیون شرکت کنند. رایج ترین نوع هیبریداسیون شامل د- اوربیتال ها است سآر 3 د 2 - هیبریداسیون، در نتیجه شش اوربیتال هیبریدی با شکل و انرژی معادل تشکیل می شود (شکل 11). آ) که با زاویه 90 درجه نسبت به یکدیگر قرار دارند و به سمت رئوس هشت ضلعی که در مرکز آن یک هسته اتمی وجود دارد، هدایت می شوند. هشت وجهی (شکل 11 ب) – یک هشت ضلعی منظم است: تمام لبه ها در آن است طول مساوی، تمام صورت ها مثلث های منظم هستند.

برنج. یازده سآر 3 د 2 - هیبریداسیون

کمتر رایج سآر 3 د- هیبریداسیون با تشکیل پنج اوربیتال هیبریدی (شکل 12 آ) به رئوس دو هرم مثلثی هدایت می شود (شکل 12 ب). یک دو هرم مثلثی از به هم پیوستن دو هرم متساوی الساقین با یک قاعده مشترک - یک مثلث منظم - تشکیل می شود. ضربات پررنگ در شکل. 12 بلبه هایی با طول مساوی نشان داده شده است. از نظر هندسی و انرژی سآر 3 د- اوربیتال های ترکیبی نابرابر هستند: سه اوربیتال "استوایی" به سمت رئوس یک مثلث منظم هدایت می شوند، و دو "محوری" - بالا و پایین عمود بر صفحه این مثلث (شکل 12) v). زوایای بین مدارهای "استوایی" برابر با 120 درجه است سآر 2 - هیبریداسیون زاویه بین "محوری" و هر یک از مدارهای "استوایی" 90 درجه است. بر این اساس، پیوندهای کووالانسی که با مشارکت اوربیتال‌های «استوایی» تشکیل می‌شوند، از نظر طول و انرژی با پیوندهایی که در تشکیل آن‌ها اوربیتال‌های «محوری» نقش دارند، متفاوت هستند. به عنوان مثال، در مولکول PC1 5، پیوندهای "محوری" 214 pm طول دارند و پیوندهای "استوایی" 202 pm طول دارند.

برنج. 12. سآر 3 د- هیبریداسیون

بنابراین، با در نظر گرفتن پیوندهای کووالانسی در نتیجه همپوشانی اوربیتال‌های اتمی، می‌توان هندسه مولکول‌ها و یون‌های حاصل را توضیح داد که به تعداد و نوع اوربیتال‌های اتمی درگیر در تشکیل پیوندها بستگی دارد. مفهوم هیبریداسیون اوربیتال های اتمی، لازم است درک کنیم که هیبریداسیون یک تکنیک شرطی است که به شما امکان می دهد هندسه یک مولکول را از طریق ترکیبی از AOs به صورت بصری توضیح دهید.

مفهوم هیبریداسیون

مفهوم هیبریداسیون اوربیتال های اتمی ظرفیتیتوسط شیمیدان آمریکایی لینوس پاولینگ برای پاسخ به این سوال پیشنهاد شد که چرا وقتی اتم مرکزی دارای اوربیتال های ظرفیت متفاوت (s, p, d) است، پیوندهای تشکیل شده توسط آن در مولکول های چند اتمی با لیگاندهای یکسان از نظر انرژی و ویژگی های فضایی معادل هستند. .

مفهوم هیبریداسیون در روش پیوند ظرفیت محوری است. هیبریداسیون خود یک فرآیند فیزیکی واقعی نیست، بلکه فقط یک مدل مناسب برای توضیح است ساختار الکترونیکیمولکول ها، به ویژه، تغییرات فرضی اوربیتال های اتمی در طول تشکیل یک پیوند شیمیایی کووالانسی، به ویژه، تراز کردن طول پیوندهای شیمیایی و زوایای پیوند در یک مولکول.

مفهوم هیبریداسیون با موفقیت در توصیف کیفی مولکول های ساده اعمال شد، اما بعداً به مولکول های پیچیده تر گسترش یافت. برخلاف نظریه اوربیتال‌های مولکولی، این نظریه کاملاً کمی نیست، به عنوان مثال، قادر به پیش‌بینی طیف فوتوالکترون حتی مولکول‌های ساده‌ای مانند آب نیست. در حال حاضر عمدتاً برای اهداف روش شناختی و در شیمی آلی مصنوعی استفاده می شود.

این اصل در نظریه دفع جفت الکترون گیلسپی - نیهولم منعکس شده است. اولین و بیشتر قانون مهمکه به صورت زیر فرموله شد:

جفت‌های الکترون چنین آرایشی روی لایه ظرفیت اتم دارند، که در آن حداکثر فاصله از یکدیگر دارند، یعنی جفت‌های الکترون طوری رفتار می‌کنند که گویی متقابل را دفع می‌کنند.

قانون دوم این است که تمام جفت‌های الکترونی موجود در لایه الکترون ظرفیتی در فاصله یکسانی از هسته در نظر گرفته می‌شوند..

انواع هیبریداسیون

هیبریداسیون sp

زمانی رخ می دهد که یک اوربیتال s و یک p با هم مخلوط شوند. دو اوربیتال معادل sp-اتمی تشکیل می شوند که به صورت خطی در زاویه 180 درجه قرار دارند و در جهات مختلف از هسته اتم کربن هدایت می شوند. دو اوربیتال غیر هیبریدی باقیمانده در صفحات عمود بر یکدیگر قرار دارند و در تشکیل پیوندهای π شرکت می کنند یا در جفت الکترون های تنها شرکت می کنند.

sp 2 -هیبریداسیون

زمانی رخ می دهد که یک اوربیتال s و دو p با هم مخلوط شوند. سه اوربیتال هیبریدی با محورهایی که در یک صفحه قرار دارند و با زاویه 120 درجه به سمت رئوس مثلث هدایت می شوند تشکیل می شوند. غیر هیبریدی اوربیتال p-اتمیعمود بر صفحه است و به عنوان یک قاعده در تشکیل پیوندهای π شرکت می کند

sp 3 -هیبریداسیون

زمانی اتفاق می‌افتد که یک اوربیتال s و سه p با هم مخلوط می‌شوند و چهار اوربیتال هیبریدی sp3 با شکل و انرژی یکسان را تشکیل می‌دهند. آنها می توانند چهار پیوند σ با اتم های دیگر تشکیل دهند یا با جفت های تک الکترون پر شوند.

محورهای اوربیتال های هیبریدی sp3 به سمت رئوس یک چهار وجهی منظم هدایت می شوند. زاویه چهار وجهی بین آنها 109 درجه و 28 اینچ است که مربوط به کمترین انرژی دافعه الکترون است. همچنین اوربیتال‌های sp3 می‌توانند چهار پیوند σ با اتم‌های دیگر تشکیل دهند یا با جفت‌های تک الکترون پر شوند.

هیبریداسیون و هندسه مولکولی

مفهوم هیبریداسیون اوربیتال های اتمی زیربنای نظریه دفع جفت الکترون گیلسپی-نیهولم است. هر نوع هیبریداسیون مربوط به یک جهت گیری فضایی کاملاً تعریف شده از اوربیتال های ترکیبی اتم مرکزی است که به آن اجازه می دهد تا به عنوان پایه ای برای مفاهیم استریوشیمیایی در شیمی معدنی استفاده شود.

جدول نمونه هایی از مطابقت بین رایج ترین انواع هیبریداسیون و ساختار هندسی مولکول ها را با این فرض نشان می دهد که همه اوربیتال های هیبریدی در تشکیل پیوندهای شیمیایی دخیل هستند (هیچ جفت الکترون تنها وجود ندارد).

نوع هیبریداسیون	عدد اوربیتال های ترکیبی	هندسه	ساختار	نمونه هایی از
sp	2	خطی		BeF 2، CO 2، NO 2 +
sp 2	3	مثلثی		BF 3، NO 3 -، CO 3 2-
sp 3	4	چهار وجهی		CH 4، ClO 4 -، SO 4 2-، NH 4 +
dsp 2	4	مربع		Ni (CO) 4، XeF 4
sp 3 d	5	شش وجهی		PCl 5، AsF 5
sp 3 d 2	6	هشت وجهی		SF 6، Fe (CN) 6 3-، CoF 6 3-

پیوندها

ادبیات

• پاولینگ ال.ماهیت پیوند شیمیایی / Per. از انگلیسی M. E. Dyatkina. اد. پروفسور یا کی سیرکین. - م. ل .: Goskhimizdat, 1947 .-- 440 p.
• پاولینگ ال. شیمی عمومی... مطابق. از انگلیسی - م .: میر، 1974 .-- 846 ص.
• Minkin V.I.، Simkin B. Ya.، Minyaev R.M.تئوری ساختار مولکول ها. - Rostov-on-Don: Phoenix, 1997 .-- S. 397-406. - شابک 5-222-00106-7
• گیلسپی آر.هندسه مولکول ها / Per. از انگلیسی E. Z. Zasorin و V. S. Mastryukov، ویرایش. یو.آ.پنتینا. - م .: میر، 1975 .-- 278 ص.

را نیز ببینید

یادداشت ها (ویرایش)

بنیاد ویکی مدیا 2010.

با توجه به ماهیت همپوشانی، پیوندهای σ- و پی - π - π متمایز می شوند. σ-باند-این پیوندی است که در آن همپوشانی اوربیتال های اتمی رخ می دهد در امتداد محور اتصال هسته اتم... پیوند سیگما می تواند توسط انواع اوربیتال ها تشکیل شود. بین دو اتم در یک ذره شیمیایی امکان پذیر است فقط یک پیوند σ... با هم تداخل دارند اوربیتال های اتمی موازی عمود بر محور پیوندپیوندهای π تشکیل می شوند. Pi-Link: مکمل لینک سیگما. یک پیوند واحد همیشه یک پیوند سیگما است. پیوند دوگانه - از 1 سیگما و 1 پی تشکیل شده است. پیوند سه گانه: پیوندهای 1 سیگما و 2 پی.

مجرد (σ)	دوتایی (σ + π)	سه گانه (σ + π + π)
С – С С – Н С – О H – Cl	C = O C = C O = O	С≡С С≡N N≡N

هیبریداسیون

اگر یک اتم با پیوندهای مساوی به اتم های دیگر پیوند خورده باشد، اما اوربیتال ها در تشکیل آنها دخیل باشند. انواع مختلف، سپس از روش HYBRIDIZATION استفاده می شود.

مثال:مولکول CH 4 شکل یک چهار وجهی منظم دارد که در آن هر 4 پیوند دارای طول، استحکام یکسان و دارای زوایای یکسان با یکدیگر هستند.

با این حال، در یک اتم کربن چهار ظرفیتی، الکترون ها در سه اوربیتال p و یک اوربیتال s قرار دارند. آنها از نظر انرژی، شکل و شکل متفاوت هستند و در فضا قرار دارند.

برای توضیح از مفهوم هیبریداسیون استفاده می شود:

از چهار اوربیتال اتمی، 4 اوربیتال جدید تشکیل می شود،

ترکیبیمدارهایی که در فضا در حداکثر فاصله از یکدیگر قرار دارند. این یک چهار وجهی منظم است، زاویه بین پیوندها 109 درجه و 29 دقیقه است.

از آنجایی که یک پوسته s و سه p در تشکیل چهار پیوند شرکت می کنند، این نوع هیبریداسیون نشان داده می شود. sp 3

بسته به تعداد و نوع اوربیتال هایی که در هیبریداسیون شرکت می کنند، انواع زیر از هیبریداسیون متمایز می شوند:

1) هیبریداسیون sp. یک اوربیتال s و یک اوربیتال p درگیر هستند. مولکول دارای ساختار خطی است، زاویه پیوند 180 0 است.

2) هیبریداسیون sp 2. یک اوربیتال s و دو اوربیتال p درگیر هستند. مولکول در یک صفحه قرار دارد (انتهای اوربیتال های هیبریدی به سمت رئوس مثلث متساوی الاضلاع هدایت می شود)، زاویه پیوند 120 0 است.

3) هیبریداسیون sp 3. یک اوربیتال s و سه اوربیتال p درگیر هستند. مولکول دارای شکل چهار وجهی است، زاویه پیوند 109.28 0 است.

چگونه می توان نوع هیبریداسیون را تعیین کرد؟

1. هیبریداسیون شامل پیوندهای سیگما و جفت های یونی منفرد است.

2. تعداد کل اوربیتال های پیوند سیگما شرکت کننده + جفت الکترون = تعداد اوربیتال های هیبریدی و تعیین کننده نوع هیبریداسیون است.

ورزش:تعیین نوع هیبریداسیون اتم کربن در مولکول فسژن.

O = C - Cl

1) کربن 2 پیوند منفرد (اینها پیوندهای سیگما هستند) و یک پیوند دوگانه (سیگما + پی) تشکیل می دهد که هر 4 الکترون کربن در تشکیل این پیوندها شرکت می کنند.

2) بنابراین، سه پیوند SIGMA در هیبریداسیون شرکت خواهند کرد. این sp 2 - هیبریداسیون، مولکول دارای فرم است مثلث مسطح پیوند پی عمود بر صفحه این مثلث قرار دارد.

یکی از وظایف شیمی مطالعه ساختار ماده از جمله روشن ساختن مکانیسم تشکیل است. اتصالات مختلفاز مواد ساده ای که توسط اتم های یک تشکیل شده اند عنصر شیمیایی... ویژگی های برهمکنش اتم ها، به طور دقیق تر، اجزای باردار مخالف آنها - پوسته های الکترونی و هسته ها - به شرح زیر است. انواع مختلفپیوند شیمیایی. بنابراین، مواد از طریق پیوند کووالانسی تشکیل می‌شوند که برای توصیف آن در سال 1931، شیمیدان آمریکایی ال. پاولینگ، مدلی از هیبریداسیون اوربیتال‌های اتمی را پیشنهاد کرد.

مفهوم پیوند کووالانسی

در مواردی که در فرآیند برهمکنش، تشکیل یک جفت ابر الکترونی ظرفیت مشترک برای دو اتم رخ می دهد، آنها از یک پیوند کووالانسی صحبت می کنند. در نتیجه وقوع آن، کوچکترین ذره یک ماده ساده یا پیچیده تشکیل می شود - یک مولکول.

یکی از ویژگی های پیوند کووالانسی جهت دار بودن آن است - یک نتیجه شکل پیچیدهاوربیتال های الکترونی p، d و f که دارای تقارن کروی نیستند، جهت مکانی خاصی دارند. یکی بیشتر ویژگی مهماین نوع پیوند شیمیایی - اشباع، به دلیل تعداد محدودی ابرهای خارجی - ظرفیتی در اتم است. به همین دلیل است که وجود یک مولکول، به عنوان مثال، H 2 O، ممکن است، اما H 5 O نیست.

انواع پیوندهای کووالانسی

تشکیل جفت الکترون های مشترک می تواند رخ دهد روش های مختلف... در مکانیسم تشکیل پیوند کووالانسی، ماهیت همپوشانی ابرها و تقارن فضایی ابر حاصله نقش مهمی ایفا می کند. با توجه به این معیار، L. Pauling پیشنهاد کرد که انواع زیر را متمایز کند:

• پیوند سیگما (σ) دارای بالاترین درجه همپوشانی در امتداد محور عبوری است هسته های اتمی... در اینجا تراکم ابر به حداکثر خود خواهد رسید.
• پیوند پی (π) با همپوشانی جانبی تشکیل می شود و بر این اساس ابر الکترونی بالاترین چگالی را در خارج از محور اتصال هسته ها دارد.

این ویژگی‌های فضایی تا آنجا که با پارامترهای انرژی پیوند کووالانسی همبستگی دارند از اهمیت بالایی برخوردار هستند.

ویژگی های مولکول های چند اتمی

مفهوم هیبریداسیون توسط پاولینگ برای توضیح یکی از ویژگی های پیوندهای کووالانسی در مولکول های چند اتمی معرفی شد. مشخص است که پیوندهای تشکیل شده توسط اتم مرکزی در چنین مولکول هایی از نظر خصوصیات فضایی و انرژی یکسان است. این بدون توجه به اینکه کدام اوربیتال (s، p یا d) در تشکیل یک جفت الکترون مشترک دخیل است، اتفاق می افتد.

بسیار راحت و مثال خوباتم کربن این پدیده را نشان می دهد. هنگامی که یک اتم وارد یک پیوند شیمیایی می شود، یک اتم در حالت برانگیخته دارای 4 اوربیتال ظرفیتی است: 2s، 2p x، 2p y و 2p z. سه مورد آخر از نظر انرژی و شکل با مدار 2s تفاوت دارند. با این وجود، در یک مولکول، به عنوان مثال، متان CH 4، هر چهار پیوند کاملاً معادل هستند و دارای زوایای پیوند 109.5 درجه هستند (در حالی که اوربیتال های p در زوایای 90 درجه قرار دارند). در سایر ترکیبات کربن، زوایای پیوند 120 درجه و 180 درجه یافت می شود. در مولکول های حاوی نیتروژن (آمونیاک NH 3) و اکسیژن (آب H 2 O) این زاویه ها 107.5 درجه و 104.5 درجه است. ظهور چنین زوایای پیوند نیز نیاز به توضیح دارد.

ماهیت پدیده

ایده هیبریداسیون، تشکیل اوربیتال های متوسط ​​با همپوشانی ابرهای الکترونی از انواع مختلف با انرژی های نزدیک - s، p، گاهی اوقات d است. تعداد اوربیتال های حاصل - ترکیبی - با تعداد ابرهای همپوشانی مطابقت دارد. از آنجایی که اوربیتال احتمال تعیین کننده یافتن الکترون در یک نقطه یا نقطه دیگر از یک اتم است، یک اوربیتال ترکیبی برهم نهی توابع موج است که در نتیجه گذارهای الکترونیکی هنگام برانگیختن یک اتم رخ می دهد. این منجر به ظهور توابع موج معادل می شود که فقط از نظر جهت متفاوت هستند.

اوربیتال های هیبریدی از نظر انرژی معادل هستند و به شکل یک شکل سه بعدی که دارای عدم تقارن قوی نسبت به هسته است، یک شکل هستند. انرژی کمتری برای هیبریداسیون صرف می شود که در طول تشکیل یک پیوند کووالانسی قوی با اوربیتال های هیبریدی آزاد می شود؛ بنابراین، چنین فرآیندی از نظر انرژی مطلوب است، یعنی محتمل ترین.

هیبریداسیون مداری و هندسه مولکولی

ممکن است گزینه های مختلفهمپوشانی (اختلاط) ابرهای الکترونی بیرونی در اتم. رایج ترین انواع روکش های مداری عبارتند از:

• Sp 3 -هیبریداسیون. این گزینه زمانی محقق می شود که یک اوربیتال s و سه اوربیتال p روی هم قرار گیرند. منجر به چهار اوربیتال هیبریدی می شود که محورهای آنها برای هر جفت در زوایای 109.5 درجه است که مربوط به حداقل دافعه متقابل الکترون ها است. هنگامی که این اوربیتال ها وارد پیوند σ با اتم های دیگر می شوند، یک مولکول چهار وجهی تشکیل می شود، به عنوان مثال، متان، اتان C 2 H 6 (ترکیبی از دو چهار وجهی)، آمونیاک، آب. در مولکول آمونیاک، یک وجود دارد و در مولکول آب، دو رأس چهار وجهی توسط جفت الکترون های تک اشغال شده است که منجر به کاهش زاویه پیوند می شود.
• هیبریداسیون Sp 2 زمانی اتفاق می افتد که یک اوربیتال s و دو p با هم ترکیب شوند. در این حالت، سه اوربیتال هیبریدی در زاویه 120 درجه در یک صفحه قرار دارند. یک شکل مثلثی مشابه، به عنوان مثال، مولکول های تری کلرید بور BCl 3 دارد که در فن آوری های مختلف... مثال دیگر - یک مولکول اتیلن - به دلیل پیوند π اضافی بین اتم‌های کربن تشکیل می‌شود که در آن یک اوربیتال p غیر هیبریدی است و عمود بر صفحه تشکیل شده توسط دو مثلث است.
• هیبریداسیون Sp زمانی اتفاق می افتد که یک اوربیتال s و یک p مخلوط شوند. دو ابر هیبریدی در 180 درجه هستند و مولکول دارای پیکربندی خطی است. به عنوان مثال، مولکول های کلرید بریلیم BeCl 2 یا استیلن C 2 H 2 هستند (در دومی، دو اوربیتال p غیر هیبریدی کربن پیوند π اضافی را تشکیل می دهند).

همچنین انواع پیچیده تری از هیبریداسیون اوربیتال های اتمی وجود دارد: sp 3 d، sp 3 d 2 و دیگران.

نقش مدل هیبریداسیون

مفهوم پاولینگ توصیف کیفی خوبی از ساختار مولکولی می دهد. راحت و واضح است، با موفقیت برخی از ویژگی های ترکیبات کووالانسی، مانند مقدار زوایای پیوند یا برابری طول یک پیوند شیمیایی را توضیح می دهد. با این حال، جنبه کمی مدل را نمی توان رضایت بخش در نظر گرفت، زیرا امکان پیش بینی های مهم زیادی در مورد اثرات فیزیکی مرتبط با ویژگی های ساختاری مولکول ها، به عنوان مثال، طیف فوتوالکترون مولکولی را نمی دهد. خود نویسنده مفهوم هیبریداسیون در اوایل دهه 1950 به کاستی های آن اشاره کرد.

با این وجود، مدل هیبریداسیون اوربیتال های اتمی نقش مهمی در شکل گیری مفاهیم مدرن ساختار ماده ایفا کرد. بر اساس آن، مفاهیم کافی تری توسعه یافت، به عنوان مثال، نظریه دفع جفت الکترون. بنابراین، البته، مدل هیبریداسیون بود یک نقطه عطف مهمدر توسعه شیمی نظری، و در توصیف برخی از جنبه‌های ساختار الکترونیکی مولکول‌ها، در زمان حاضر کاملاً قابل استفاده است.