Теория гибридизации валентных орбиталей

Очень часто электроны, участвующие в образовании ковалентной связи, находятся в различных состояниях, например один в s-, другой в р-. Казалось бы и связи в молекулах по свойствам должны быть неравноценными. Однако опыт показывает, что они равноценны. Это явление объясняется представлением о гибридизации атомных орбиталей, введенным Полингом.

Гибридизация валентных орбиталей – это процесс смешения орбиталей и выравнивание их по форме и по энергии. Гибридная орбиталь ассиметрична сильно вытянута в одну сторону от ядра. Химическая связь, образуемая с участием электронов гибридных орбиталей, прочнее связи с участием электронов негибридных орбиталей, т.к. при гибридизации происходит большее перекрывание.

Гибридизацию валентных орбиталей рассмотрим на примере образования молекул хлорида магния, хлорида алюминия и метана.

Переход атома магния в возбужденное состояние сопровождается разъединением спаренных валентных s-электронов. Переход атома в возбужденное состояние, требует затраты энергии, которая с избытком компенсируется процессом образования химических связей.

Mg 2s² – Mg* 2s¹2p¹

В возбужденном состоянии магний присоединяет два атома хлора. Причем обе связи магний – хлор равноценны и расположены под углом 180 градусов, т.е. молекула имеет линейную форму. В данной молекуле реализуется sp-гибридизация.

В молекуле хлорида алюминия осуществляется sp²-гибридизация орбиталей центрального атома. У атома алюминия в гибридизации участвуют орбитали одного s- и двух р-электронов, что приводит к образованию трех гибридных орбиталей, расположенных под углом 120⁰. Молекула имеет форму плоского равностороннего треугольника с атомом алюминия в центре. Каждая из трех гибридных орбиталей алюминия связана с р-орбиталью хлора.

При образовании молекулы метана атом углерода переходит в возбужденное состояние, и полученные четыре неспаренных электрона подвергаются sp³-гибридизации. Валентный угол между осями гибридных орбиталей здесь составляет 109⁰28. В результате перекрывания четырех гибридных sp³-орбиталей атома углерода и s-орбиталей четырех атомов водорода образуется молекула в форме тетраэдра.

При образовании молекул воды и аммиака происходит sp³-гибридизация атомных орбиталей атомов кислорода и азота. Но у атома углерода все четыре орбитали заняты электронными парами, тогда как у атома азота одна гибридная орбиталь занята несвязывающей неподеленной электронной парой, а у атома кислорода ими заняты две орбитали. Т.о. на изменение угла от тетраэдрического сказывается отталкивающее воздействие неподеленных электронных пар. В молекуле аммиака валентный угол составляет 107 градусов, а в молекуле воды – 104,5 градусов.

Возможен другой механизм образования ковалентной связи - донорно-акцепторный. В этом случае химическая связь возникает за счет электронной пары одного атома (донора) и свободной (вакантной) орбитали другого атома (акцептора). В качестве примера рассмотрим механизм образования иона аммония NH₄⁺. Атом азота является донором, так как имеет неподеленную пару электронов, которые не участвуют в образовании связей в молекуле аммиака. Катион водорода же имеет не заполненную s-орбиталь – акцептор. Следовательно, в данной молекуле четвертая ковалентная связь возникающая за счет того, что неподеленная электронная пара атома азота попадает в вакантную орбиталь иона водорода является донорно-акцепторной.

Вещества с ковалентными связями могут быть твердыми (парафин, лед), жидкими (вода, спирт) и газообразными (водород, сероводород) при обычных условиях.

Ионная связь

Химическая связь между ионами, осуществляемая электростатическим притяжением, называется ионной связью. Ионную связь можно рассматривать как предельный случай ковалентной полярной связи. В механизме образования ковалентной и ионной связей нет существенного различия. Они различаются лишь степенью поляризации (смещения) электронных пар.

В отличие от ковалентной ионная связь характеризуется ненаправленностью и ненасыщенностью. Вследствие этого соединения с ионной связью, представляют собой твердые тела с ионной кристаллической решеткой.

Металлическая связь

У металлов самая низкая энергия ионизации, поэтому в них валентные электроны легко отрываются от отдельных атомов и становятся общими для всего кристалла (обооществленными). Так образуются положительные ионы металла и электронный газ – совокупность подвижных электронов.

Связь, образованная в результате перекрывания вакантных орбиталей атомов металлов и делокализации электронов между этими атомами вследствие образования кристаллической решетки называется металлической.

Металлическая связь сходна с ковалентной, т.к. в основе образования этих связей лежат процессы обобществления валентных электронов. Металлическая связь направлена, т.к. электроны распределены по кристаллу почти равномерно. Данная связь характерна только для металлов в жидком и твердом агрегатном состоянии. В парообразном состоянии атомы металлов связаны между собой ковалентной связью.

Водородная связь

Связь между атомами водорода и атомами другого сильно ЭО элемента (F, O, N) называется водородной. Она бываетмежмолекулярной и внутримолекулярной.

Межмолекулярная водородная связь возникает между молекулами, в состав одной из которых входит водород, а другой – сильно электроотрицательный элемент (фтор, кислород, азот). При сближении таких молекул происходит обобществление электронной пары электроотрицательного атома между ним и ионом водорода (молекулы фтороводорода иводы).

Внутримолекулярная водородная связь возникает между атомами находящимися в одной молекуле (чаще всего это молекулы органических соединений).