ibridazione sp3

sp 3 -Ibridazione - ibridazione, in cui orbitali atomici di uno S- e tre p-elettroni (Fig. 1).

Riso. uno. Formazione scolastica sp 3 orbitali ibridi

quattro sp Gli orbitali 3-ibridi sono orientati simmetricamente nello spazio con un angolo di 109°28" (Fig. 2).

Modello di un atomo con sp Orbitali a 3 ibridi

La configurazione spaziale di una molecola il cui atomo centrale è formato sp Orbitali 3-ibridi - tetraedro

Configurazione spaziale tetraedrica di una molecola il cui atomo centrale è formato sp Orbitali a 3 ibridi

carbonio orbitale dell'atomo di ibridazione

Esempi di composti per i quali sp 3-ibridazione: NH 3 , POCl 3 , SO 2 F 2 , SOBr 2 , NH 4+ , ​​​​H 3 O +. Anche, sp La 3-ibridazione si osserva in tutti gli idrocarburi saturi (alcani, cicloalcani) e altri composti organici: CH 4, C 5 H 12, C 6 H 14, C 8 H 18, ecc. La formula generale degli alcani è: C n H 2n +2. La formula generale dei cicloalcani è: C n H 2n. Negli idrocarburi saturi, tutti i legami chimici sono singoli, quindi solo tra gli orbitali ibridi di questi composti a-sovrapposizione.

Formare un legame chimico, ad es. solo gli elettroni spaiati possono creare una coppia di elettroni comune con un elettrone "estraneo" di un altro atomo. Quando si scrivono formule elettroniche, gli elettroni spaiati si trovano uno ad uno nella cella orbitale.

orbitale atomicoè una funzione che descrive la densità della nuvola di elettroni in ogni punto dello spazio attorno al nucleo di un atomo. Una nuvola di elettroni è una regione dello spazio in cui un elettrone può essere trovato con un'alta probabilità.

Per armonizzare la struttura elettronica dell'atomo di carbonio e la valenza di questo elemento, vengono utilizzati i concetti di eccitazione dell'atomo di carbonio. Nello stato normale (non eccitato), l'atomo di carbonio ha due 2 spaiati R 2 elettroni. In uno stato eccitato (quando l'energia viene assorbita) uno di 2 S 2-elettroni possono passare gratuitamente R-orbitale. Quindi nell'atomo di carbonio compaiono quattro elettroni spaiati:

Ricordiamolo nella formula elettronica di un atomo (ad esempio per il carbonio 6 C - 1 S 2 2S 2 2p 2) i numeri grandi davanti alle lettere - 1, 2 - indicano il numero del livello di energia. Lettere S e R indicare la forma della nuvola di elettroni (orbitali) e i numeri a destra sopra le lettere indicano il numero di elettroni in un dato orbitale. Tutto S- orbitali sferici

Al secondo livello di energia tranne 2 S-ci sono tre orbitali 2 R-orbitali. Questi 2 R-gli orbitali hanno una forma ellissoidale, simile ai manubri, e sono orientati nello spazio con un angolo di 90° l'uno rispetto all'altro. 2 R-Gli orbitali denotano 2 R X , 2R y e 2 R z secondo gli assi lungo i quali si trovano questi orbitali.

Forma e orientamento degli orbitali p-elettronici

Quando si formano legami chimici, gli orbitali degli elettroni acquisiscono la stessa forma. Quindi, negli idrocarburi saturi, uno S-orbitale e tre R-orbitali di un atomo di carbonio per formare quattro identici (ibridi) sp 3 orbitali:

Esso - sp 3 - ibridazione.

Ibridazione- allineamento (miscelazione) di orbitali atomici ( S e R) con la formazione di nuovi orbitali atomici, detti orbitali ibridi.

Quattro sp 3 -orbitali ibridi dell'atomo di carbonio

Gli orbitali ibridi hanno una forma asimmetrica, allungata verso l'atomo attaccato. Le nubi di elettroni si respingono e si trovano nello spazio il più lontano possibile l'una dall'altra. Allo stesso tempo, gli assi di quattro sp 3-orbitali ibridi risultano essere diretti ai vertici del tetraedro (piramide triangolare regolare).

Di conseguenza, gli angoli tra questi orbitali sono tetraedrici, pari a 109 ° 28".

Le parti superiori degli orbitali degli elettroni possono sovrapporsi agli orbitali di altri atomi. Se le nuvole di elettroni si sovrappongono lungo una linea che collega i centri degli atomi, viene chiamato un tale legame covalente sigma () - legame. Ad esempio, in una molecola di etano C 2 H 6, si forma un legame chimico tra due atomi di carbonio sovrapponendo due orbitali ibridi. Questa è una connessione. Inoltre, ciascuno degli atomi di carbonio con i suoi tre sp 3 orbitali si sovrappongono con S-orbitali di tre atomi di idrogeno, che formano tre -legami.

Schema di nubi di elettroni sovrapposte nella molecola di etano

In totale, per un atomo di carbonio sono possibili tre stati di valenza con diversi tipi di ibridazione. Tranne sp 3-ibridazione esiste sp 2 - e sp-ibridazione.

sp 2 -Ibridazione- mescolando uno S- e due R-orbitali. Di conseguenza, tre ibridi sp 2 -orbitali. Queste sp 2 -gli orbitali si trovano sullo stesso piano (con assi X, a) e sono diretti ai vertici del triangolo con un angolo compreso tra gli orbitali di 120°. non ibridato R-orbitale è perpendicolare al piano dei tre ibridi sp 2 orbitali (orientati lungo l'asse z). La metà superiore R-gli orbitali sono sopra il piano, la metà inferiore è sotto il piano.

Tipo di sp La 2-ibridazione del carbonio avviene nei composti con un doppio legame: C=C, C=O, C=N. Inoltre, solo uno dei legami tra due atomi (ad esempio C=C) può essere un legame. (Gli altri orbitali di legame dell'atomo sono diretti in direzioni opposte.) Il secondo legame si forma come risultato della sovrapposizione di R-orbitali su entrambi i lati della linea che collega i nuclei degli atomi.

Orbitali (tre sp 2 e un p) atomo di carbonio in sp 2 - ibridazione

Legame covalente formato da sovrapposizione laterale R-viene chiamato orbitale di atomi di carbonio vicini pi()-legame.

Istruzione - comunicazioni

A causa della minore sovrapposizione degli orbitali, il -legame è meno forte del -legame.

sp-Ibridazione- questo è mescolare (allineamento nella forma e nell'energia) di uno S- e uno R-orbitali con formazione di due ibridi sp-orbitali. sp- Gli orbitali si trovano sulla stessa linea (ad un angolo di 180°) e diretti in direzioni opposte rispetto al nucleo dell'atomo di carbonio. Due R-gli orbitali rimangono non ibridati. Si trovano reciprocamente perpendicolari alle direzioni dei legami. Sull'immagine sp-gli orbitali sono mostrati lungo l'asse y, e i due non ibridati R-orbitali- lungo gli assi X e z.

Orbitali atomici (due sp e due p) del carbonio nello stato di ibridazione sp

Il triplo legame carbonio-carbonio CC consiste in un legame che si verifica quando si sovrappone sp-orbitali ibridi e due -legami.

La struttura elettronica dell'atomo di carbonio

Il carbonio, che fa parte dei composti organici, mostra una valenza costante. L'ultimo livello di energia dell'atomo di carbonio contiene 4 elettroni, due dei quali occupano l'orbitale 2s, che ha una forma sferica, e due elettroni occupano gli orbitali 2p, che hanno una forma a manubrio. Quando eccitato, un elettrone dell'orbitale 2s può andare a uno degli orbitali 2p vuoti. Questa transizione richiede alcuni costi energetici (403 kJ/mol). Di conseguenza, l'atomo di carbonio eccitato ha 4 elettroni spaiati e la sua configurazione elettronica è espressa dalla formula 2s1 2p3 .

Un atomo di carbonio eccitato è in grado di formare 4 legami covalenti a causa di 4 dei suoi elettroni spaiati e 4 elettroni di altri atomi. Quindi, nel caso dell'idrocarburo metano (CH4), l'atomo di carbonio forma 4 legami con gli elettroni s degli atomi di idrogeno. In questo caso, dovrebbe essere formato 1 legame digita s-s(tra l'elettrone s di un atomo di carbonio e l'elettrone s di un atomo di idrogeno) e 3 legami p-s (tra 3 elettroni p di un atomo di carbonio e 3 elettroni s di 3 atomi di idrogeno). Ciò porta alla conclusione che i quattro legami covalenti formati dall'atomo di carbonio non sono equivalenti. Tuttavia, esperienza pratica la chimica indica che tutti e 4 i legami nella molecola di metano sono assolutamente equivalenti e la molecola di metano ha una struttura tetraedrica con angoli di legame di 109 °, il che non potrebbe essere il caso se i legami non fossero equivalenti. Dopotutto, solo gli orbitali degli elettroni p sono orientati nello spazio lungo gli assi x, y, z reciprocamente perpendicolari e l'orbitale di un elettrone s ha una forma sferica, quindi la direzione di formazione di un legame con questo elettrone sarebbe arbitrario. La teoria dell'ibridazione è stata in grado di spiegare questa contraddizione. L. Polling ha suggerito che in nessuna molecola non ci sono legami isolati l'uno dall'altro. Quando si formano i legami, gli orbitali di tutti gli elettroni di valenza si sovrappongono. Sono noti diversi tipi di ibridazione di orbitali elettronici. Si presume che nella molecola del metano e di altri alcani 4 elettroni entrino in ibridazione.

Ibridazione di orbitali di atomi di carbonio

L'ibridazione orbitale è un cambiamento nella forma e nell'energia di alcuni elettroni durante la formazione di un legame covalente, che porta a una sovrapposizione più efficace degli orbitali e a una maggiore forza di legame. L'ibridazione degli orbitali avviene sempre quando gli elettroni appartengono tipi diversi orbitali. 1. sp 3 -ibridazione (il primo stato di valenza del carbonio). Con l'ibridazione sp3, 3 orbitali p e un orbitale s di un atomo di carbonio eccitato interagiscono in modo tale da ottenere orbitali assolutamente identici nell'energia e posizionati simmetricamente nello spazio. Questa trasformazione può essere scritta in questo modo:

s + px + py + pz = 4sp3

Durante l'ibridazione, il numero totale di orbitali non cambia, ma cambia solo la loro energia e forma. È dimostrato che l'ibridazione sp3 degli orbitali assomiglia a una figura-otto tridimensionale, una delle quali è molto più grande dell'altra. Quattro orbitali ibridi sono estesi dal centro verso l'alto tetraedro regolare ad angoli di 109,50. I legami formati da elettroni ibridi (ad esempio, il legame s-sp 3) sono più forti dei legami formati da elettroni p non ibridati (ad esempio, il legame sp). perché l'orbitale sp3 ibrido fornisce un'area più ampia di sovrapposizione orbitale elettronica rispetto all'orbitale p non ibridato. Le molecole in cui viene effettuata l'ibridazione sp3 hanno una struttura tetraedrica. Oltre al metano, questi includono omologhi del metano, molecole inorganiche come l'ammoniaca. Le figure mostrano un orbitale ibridato e una molecola di metano tetraedrica. I legami chimici che sorgono nel metano tra atomi di carbonio e idrogeno sono di tipo 2 legami y (sp3 -s-legame). In generale, qualsiasi legame sigma è caratterizzato dal fatto che la densità elettronica di due atomi interconnessi si sovrappone lungo la linea che collega i centri (nuclei) degli atomi. I legami y corrispondono al massimo grado possibile di sovrapposizione degli orbitali atomici, quindi sono abbastanza forti. 2. ibridazione sp2 (secondo stato di valenza del carbonio). Si verifica come risultato della sovrapposizione di un orbitale 2s e due orbitali 2p. Gli orbitali ibridi sp2 risultanti si trovano sullo stesso piano con un angolo di 1200 l'uno rispetto all'altro e l'orbitale p non ibridato è perpendicolare ad esso. Il numero totale di orbitali non cambia: ce ne sono quattro.

s + px + py + pz = 3sp2 + pz

Lo stato di ibridazione sp2 avviene nelle molecole di alchene, nei gruppi carbonilici e carbossilici, cioè nei composti contenenti un doppio legame. Quindi, nella molecola di etilene, gli elettroni ibridati dell'atomo di carbonio formano 3 legami y (due legami di tipo sp 2 -s tra l'atomo di carbonio e gli atomi di idrogeno e un legame di tipo sp 2 -sp 2 tra atomi di carbonio). Il restante elettrone p non ibridato di un atomo di carbonio forma un legame p con l'elettrone p non ibridato del secondo atomo di carbonio. tratto caratteristico Il legame p è che la sovrapposizione degli orbitali degli elettroni va oltre la linea che collega i due atomi. La sovrapposizione degli orbitali va sopra e sotto il legame y che collega entrambi gli atomi di carbonio. Pertanto, un doppio legame è una combinazione di legami y e p. Le prime due figure mostrano che nella molecola di etilene gli angoli di legame tra gli atomi che formano la molecola di etilene sono 1200 (corrispondentemente, gli orientamenti dei tre orbitali ibridi sp2 nello spazio). La terza e la quarta figura mostrano la formazione di un legame p. etilene (formazione di legami y) etilene (formazione di legami pi) in reazioni chimiche. 3. sp-ibridazione (il terzo stato di valenza del carbonio). Nello stato di ibridazione sp, l'atomo di carbonio ha due orbitali ibridi sp situati linearmente ad un angolo di 1800 l'uno rispetto all'altro e due orbitali p non ibridati situati su due piani reciprocamente perpendicolari. sp- L'ibridazione è tipica per alchini e nitrili, cioè per composti contenenti un triplo legame.

s + px + py + pz = 2sp + py + pz

Quindi, in una molecola di acetilene, gli angoli di legame tra gli atomi sono 1800. Gli elettroni ibridati di un atomo di carbonio formano 2 legami y (un legame sp-s tra un atomo di carbonio e un atomo di idrogeno e un altro legame di tipo sp-sp tra atomi di carbonio. Due elettroni p non ibridati di un atomo di carbonio formano due legami p con elettroni p non ibridati secondo atomo di carbonio. Gli orbitali sovrapposti degli elettroni p non sono solo sopra e sotto il legame y, ma anche davanti e dietro, e la nuvola totale di elettroni p ha una forma cilindrica. Pertanto, il il triplo legame è una combinazione di un legame y e due legami p La presenza di due legami p meno forti nella molecola di acetilene garantisce la capacità di questa sostanza di entrare in reazioni di addizione con la rottura del triplo legame.

Conclusione: l'ibridazione sp3 è caratteristica dei composti di carbonio. Come risultato dell'ibridazione di un orbitale s e tre orbitali p, si formano quattro orbitali sp3 ibridi, diretti ai vertici del tetraedro con un angolo tra gli orbitali di 109°.

La maggior parte dei composti organici ha struttura molecolare. Gli atomi nelle sostanze con una struttura di tipo molecolare formano sempre solo legami covalenti tra loro, cosa che si osserva anche nel caso dei composti organici. Ricordiamo che un legame covalente è un tale tipo di legame tra atomi, che si realizza grazie al fatto che gli atomi socializzano parte dei loro elettroni esterni per acquisire la configurazione elettronica di un gas nobile.

Dal numero di coppie di elettroni socializzate, legami covalenti in materia organica ah si può dividere in singola, doppia e tripla. Questi tipi di collegamenti sono indicati nella formula grafica, rispettivamente, da una, due o tre righe:

La molteplicità del legame porta ad una diminuzione della sua lunghezza, quindi un unico Collegamento CC ha una lunghezza di 0,154 nm, doppio legame C=C - 0,134 nm, triplo legame C≡C - 0,120 nm.

Tipi di legami in base al modo in cui gli orbitali si sovrappongono

Come è noto, gli orbitali possono avere forme diverse, ad esempio, gli orbitali s sono sferici e a forma di p-manubrio. Per questo motivo, i legami possono anche differire nel modo in cui gli orbitali degli elettroni si sovrappongono:

ϭ-legami - si formano quando gli orbitali si sovrappongono in modo tale che la regione della loro sovrapposizione sia intersecata da una linea che collega i nuclei. Esempi di ϭ-bond:

π-legami - si formano quando gli orbitali si sovrappongono, in due aree - sopra e sotto la linea che collega i nuclei degli atomi. Esempi di legami π:

Come sapere quando ci sono legami π e ϭ in una molecola?

Con un tipo di legame covalente, c'è sempre un legame ϭ tra due atomi qualsiasi e ha un legame π solo nel caso di legami multipli (doppi, tripli). in cui:

• Singolo legame - sempre un legame ϭ
• Un doppio legame è sempre costituito da un legame ϭ- e un legame π
• Un triplo legame è sempre formato da un legame ϭ e due π.

Indichiamo questi tipi di legami nella molecola di acido propinoico:

Ibridazione di orbitali di atomi di carbonio

L'ibridazione orbitale è il processo mediante il quale orbitali che originariamente hanno forme diverse e le energie si mescolano, formando in cambio altrettanti orbitali ibridi, uguali per forma ed energia.

Ad esempio, quando ne mescoli uno S- e tre p- si formano quattro orbitali sp 3-orbitali ibridi:

Nel caso degli atomi di carbonio, interviene sempre l'ibridazione S- orbitale e il numero p-gli orbitali che possono partecipare all'ibridazione variano da uno a tre p- orbitali.

Come determinare il tipo di ibridazione di un atomo di carbonio in una molecola organica?

A seconda di quanti altri atomi è legato a un atomo di carbonio, si trova nello stato sp 3, o nello stato sp 2, o nello stato sp- ibridazione:

Esercitati a determinare il tipo di ibridazione degli atomi di carbonio usando l'esempio della seguente molecola organica:

Il primo atomo di carbonio è legato ad altri due atomi (1H e 1C), quindi è nello stato sp-ibridazione.

• Il secondo atomo di carbonio è legato a due atomi - sp-ibridazione
• Il terzo atomo di carbonio è legato ad altri quattro atomi (due C e due H) - sp 3-ibridazione
• Il quarto atomo di carbonio è legato ad altri tre atomi (2O e 1C) - sp 2-ibridazione.

Radicale. Gruppo funzionale

Il termine "radicale" più spesso significa un radicale idrocarburico, che è il resto di una molecola di qualsiasi idrocarburo senza un atomo di idrogeno.

Il nome del radicale idrocarburico si forma in base al nome dell'idrocarburo corrispondente sostituendo il suffisso –it suffisso -limo .

Gruppo funzionale - un frammento strutturale di una molecola organica (un certo gruppo di atomi), responsabile della sua specificità Proprietà chimiche.

A seconda di quale dei gruppi funzionali nella molecola della sostanza è il più antico, il composto viene assegnato all'una o all'altra classe.

R è la designazione di un sostituente idrocarburico (radicale).

I radicali possono contenere legami multipli, che possono anche essere considerati gruppi funzionali, poiché legami multipli contribuiscono alle proprietà chimiche della sostanza.

Se una molecola organica contiene due o più gruppi funzionali, tali composti sono detti polifunzionali.

Concetto di ibridazione

Il concetto di ibridazione degli orbitali atomici di valenzaè stato proposto dal chimico americano Linus Pauling per rispondere alla domanda perché, se l'atomo centrale ha orbitali di valenza diversi (s, p, d), i legami da esso formati in molecole poliatomiche con gli stessi ligandi sono equivalenti nelle loro caratteristiche energetiche e spaziali .

Le idee sull'ibridazione sono centrali nel metodo dei legami di valenza. L'ibridazione stessa non è un vero processo fisico, ma solo un modello conveniente che consente di spiegare la struttura elettronica delle molecole, in particolare, ipotetiche modificazioni degli orbitali atomici durante la formazione di un legame chimico covalente, in particolare l'allineamento di lunghezze di legame e angoli di legame in una molecola.

Il concetto di ibridazione è stato applicato con successo alla descrizione qualitativa di molecole semplici, ma è stato successivamente esteso a quelle più complesse. A differenza della teoria degli orbitali molecolari, non è strettamente quantitativa, ad esempio, non è in grado di prevedere gli spettri fotoelettronici anche di molecole semplici come l'acqua. Attualmente è utilizzato principalmente per scopi metodologici e in chimica organica sintetica.

Questo principio si riflette nella teoria di Gillespie-Nyholm della repulsione delle coppie di elettroni. La prima e più importante regola così formulata:

"Le coppie elettroniche prendono una tale disposizione sul guscio di valenza dell'atomo, in cui sono il più lontano possibile l'una dall'altra, cioè le coppie di elettroni si comportano come se si respingessero".

La seconda regola è quella "tutte le coppie di elettroni incluse nel guscio di elettroni di valenza sono considerate situate alla stessa distanza dal nucleo".

Tipi di ibridazione

sp ibridazione

Si verifica quando si mescolano un orbitale s e uno p. Si formano due orbitali sp-atomici equivalenti, posizionati linearmente ad un angolo di 180 gradi e diretti verso lati diversi dal nucleo di un atomo di carbonio. I due orbitali p non ibridi rimanenti si trovano su piani reciprocamente perpendicolari e partecipano alla formazione di legami π, oppure sono occupati da coppie solitarie di elettroni.

sp 2 ibridazione

Si verifica quando si mescolano un orbitale s e due orbitali p. Tre orbitali ibridi sono formati con assi situati sullo stesso piano e diretti ai vertici del triangolo con un angolo di 120 gradi. L'orbitale p-atomico non ibrido è perpendicolare al piano e, di regola, partecipa alla formazione di legami π

sp 3 ibridazione

Si verifica quando si mescolano un orbitale s e tre orbitali p, formando quattro orbitali ibridi sp3 di uguale forma ed energia. Possono formare quattro legami σ con altri atomi o essere riempiti con coppie solitarie di elettroni.

Gli assi degli orbitali sp3-ibridi sono diretti ai vertici di un tetraedro regolare. L'angolo tetraedrico tra loro è 109°28", che corrisponde all'energia di repulsione elettronica più bassa. Gli orbitali Sp3 possono anche formare quattro legami σ con altri atomi o essere riempiti con coppie di elettroni non condivisi.

Ibridazione e geometria molecolare

Le idee sull'ibridazione degli orbitali atomici sono alla base della teoria di Gillespie-Nyholm della repulsione delle coppie di elettroni. Ogni tipo di ibridazione corrisponde a un orientamento spaziale rigorosamente definito degli orbitali ibridi dell'atomo centrale, che gli consente di essere utilizzato come base di concetti stereochimici nel mondo. chimica organica.

La tabella mostra esempi della corrispondenza tra i tipi più comuni di ibridazione e la struttura geometrica delle molecole, assumendo che tutti gli orbitali ibridi partecipino alla formazione di legami chimici (non ci sono coppie di elettroni non condivisi).

Tipo di ibridazione	Numero orbitali ibridi	Geometria	Struttura	Esempi
sp	2	Lineare		BeF 2 , CO 2 , NO 2 +
sp 2	3	triangolare		BF 3, NO 3 -, CO 3 2-
sp 3	4	tetraedrico		CH 4, ClO 4 -, SO 4 2-, NH 4 +
dsp2	4	piazza piatta		Ni(CO) 4 , XeF 4
sp 3 d	5	esaedrico		PCl 5 , AsF 5
sp 3 d 2	6	Ottaedrico		SF 6 , Fe(CN) 6 3- , CoF 6 3-

Collegamenti

Letteratura

• Pauling L. La natura del legame chimico / Per. dall'inglese. ME Dyatkina. ed. prof. Ya. K. Syrkina. - M.; L.: Goshimizdat, 1947. - 440 pag.
• Pauling L. chimica generale. Per. dall'inglese. - M.: Mir, 1974. - 846 pag.
• Minkin V. I., Simkin B. Ya., Minyaev R. M. Teoria della struttura delle molecole. - Rostov sul Don: Phoenix, 1997. - S. 397-406. - ISBN 5-222-00106-7
• Gillespie R. Geometria delle molecole / Per. dall'inglese. EZ Zasorina e VS Mastryukov, ed. Yu. A. Pentina. - M.: Mir, 1975. - 278 pag.

Guarda anche

Appunti

Fondazione Wikimedia. 2010.

Nel processo di determinazione della forma geometrica di una particella chimica, è importante tenere conto del fatto che le coppie di elettroni di valenza dell'atomo principale, compresi quelli che non formano un legame chimico, sono a grande distanza l'uno dall'altro nello spazio .

Caratteristiche del termine

Quando si considera la questione del legame chimico covalente, viene spesso utilizzato un concetto come l'ibridazione degli orbitali atomici. Questo termine è correlato all'allineamento di forma ed energia. L'ibridazione degli orbitali atomici è associata al processo quantistico di riarrangiamento. Gli orbitali rispetto agli atomi iniziali hanno una struttura diversa. L'essenza dell'ibridazione sta nel fatto che l'elettrone che si trova vicino al nucleo di un atomo legato non è determinato da uno specifico orbitale atomico, ma dalla loro combinazione con un uguale numero quantico principale. Fondamentalmente, questo processo riguarda orbitali atomici più alti, vicini nell'energia che hanno elettroni.

Specifiche del processo

I tipi di ibridazione degli atomi nelle molecole dipendono da come avviene l'orientamento dei nuovi orbitali. In base al tipo di ibridazione, si può determinare la geometria di uno ione o di una molecola, suggerire le caratteristiche delle proprietà chimiche.

Tipi di ibridazione

Questo tipo di ibridazione, come sp, è una struttura lineare, l'angolo tra i legami è di 180 gradi. Un esempio di molecola con una variante di ibridazione simile è BeCl 2 .

Il prossimo tipo di ibridazione è sp 2 . Le molecole sono caratterizzate da una forma triangolare, l'angolo tra i legami è di 120 gradi. Un tipico esempio di tale variante di ibridazione è BCl 3 .

Il tipo di ibridazione sp 3 suggerisce una struttura tetraedrica della molecola; un tipico esempio di sostanza con questa variante di ibridazione è la molecola di metano CH 4. L'angolo di legame in questo caso è di 109 gradi 28 minuti.

Non solo gli elettroni accoppiati, ma anche le coppie di elettroni non separati sono direttamente coinvolti nell'ibridazione.

Ibridazione in una molecola d'acqua

Ad esempio, in una molecola d'acqua, ci sono due legami polari covalenti tra l'atomo di ossigeno e gli atomi di idrogeno. Inoltre, l'atomo di ossigeno stesso ha due coppie di elettroni esterni che non prendono parte alla creazione di un legame chimico. Queste 4 coppie di elettroni nello spazio occupano un certo posto intorno all'atomo di ossigeno. Poiché hanno tutti la stessa carica, si respingono nello spazio, le nubi di elettroni sono a una distanza significativa l'una dall'altra. Il tipo di ibridazione degli atomi in una data sostanza comporta un cambiamento nella forma degli orbitali atomici, sono allungati e allineati ai vertici del tetraedro. Di conseguenza, la molecola d'acqua acquisisce una forma angolare, l'angolo di legame tra i legami ossigeno-idrogeno è 104,5 o.

Per prevedere il tipo di ibridazione, si può utilizzare il meccanismo donatore-accettore di formazione del legame chimico. Di conseguenza, gli orbitali liberi di un elemento con un'elettronegatività inferiore si sovrappongono, così come gli orbitali di un elemento con una negatività elettrica maggiore, su cui si trova una coppia di elettroni. Nel processo di compilazione della configurazione elettronica di un atomo, viene preso in considerazione il loro stato di ossidazione.

Regole per identificare il tipo di ibridazione

Per determinare il tipo di ibridazione del carbonio, possono essere utilizzate alcune regole:

• identificare l'atomo centrale, calcolare il numero di legami σ;
• metti nella particella lo stato di ossidazione degli atomi;
• annotare la configurazione elettronica dell'atomo principale nello stato di ossidazione desiderato;
• compongono lo schema di distribuzione lungo le orbite degli elettroni di valenza, accoppiando gli elettroni;
• allocare orbitali che sono direttamente coinvolti nella formazione di legami, trovare elettroni spaiati (se il numero di orbitali di valenza è insufficiente per l'ibridazione, vengono utilizzati orbitali del livello di energia successivo).

La geometria della molecola è determinata dal tipo di ibridazione. Non è influenzato dalla presenza di legami pi. Nel caso di un legame aggiuntivo, è possibile un cambiamento nell'angolo di legame, il motivo è la repulsione reciproca degli elettroni che formano un legame multiplo. Quindi, nella molecola di ossido nitrico (4) durante l'ibridazione sp 2, l'angolo di legame aumenta da 120 gradi a 134 gradi.

Ibridazione nella molecola di ammoniaca

Una coppia di elettroni non condivisa influisce sul momento di dipolo risultante dell'intera molecola. L'ammoniaca ha una struttura tetraedrica con una coppia di elettroni non condivisa. La ionicità dei legami azoto-idrogeno e azoto-fluoro è del 15 e del 19 percento, le lunghezze sono determinate rispettivamente a 101 e 137 pm. Pertanto, la molecola di fluoruro di azoto dovrebbe avere un momento di dipolo maggiore, ma i risultati sperimentali indicano il contrario.

Ibridazione in composti organici

Ogni classe di idrocarburi ha il proprio tipo di ibridazione. Quindi, nella formazione di molecole della classe degli alcani (idrocarburi saturi), tutti e quattro gli elettroni dell'atomo di carbonio formano orbitali ibridi. Quando si sovrappongono, si formano 4 nuvole ibride, allineate ai vertici del tetraedro. Inoltre, le loro parti superiori si sovrappongono agli orbitali s non ibridi dell'idrogeno, formando un unico legame. Gli idrocarburi saturi sono caratterizzati dall'ibridazione sp 3.

Negli alcheni insaturi (il loro rappresentante tipico è l'etilene), solo tre orbitali elettronici prendono parte all'ibridazione: s e 2 p, tre orbitali ibridi formano un triangolo nello spazio. Gli orbitali p non ibridi si sovrappongono, creando un legame multiplo nella molecola. Questa classe di idrocarburi organici è caratterizzata dallo stato ibrido sp 2 dell'atomo di carbonio.

Gli alchini differiscono dalla precedente classe di idrocarburi in quanto solo due tipi di orbitali partecipano al processo di ibridazione: s e p. I due elettroni p non ibridi rimasti su ciascun atomo di carbonio si sovrappongono in due direzioni, formando due legami multipli. Questa classe di idrocarburi è caratterizzata dallo stato sp-ibrido dell'atomo di carbonio.

Conclusione

Determinando il tipo di ibridazione in una molecola, è possibile spiegare la struttura di varie sostanze inorganiche e organiche, prevedere le possibili proprietà chimiche di una particolare sostanza.

Una caratteristica importante di una molecola composta da più di due atomi è la sua configurazione geometrica.È determinato dalla disposizione reciproca degli orbitali atomici coinvolti nella formazione di legami chimici.

Per spiegare la configurazione geometrica della molecola viene utilizzato il concetto di ibridazione dell'AO dell'atomo centrale. L'atomo di berillio eccitato ha la configurazione 2s 1 2p 1, l'atomo di boro eccitato ha la configurazione 2s 1 2p 2 e l'atomo di carbonio eccitato ha la configurazione 2s 1 2p 3. Pertanto, possiamo presumere che non gli stessi orbitali atomici, ma diversi, possano partecipare alla formazione di legami chimici. Ad esempio, in composti come BeCl 2 , BCl 3 , CCl 4 dovrebbero essere disuguali in termini di energia e direzione del legame. Tuttavia, i dati sperimentali mostrano che in molecole contenenti atomi centrali con orbitali di valenza diversi

(s, p, d), tutte le connessioni sono equivalenti. Per risolvere questa contraddizione, Pauling e Slater hanno proposto il concetto di ibridazione

Le principali disposizioni del concetto di ibridazione:

1. Gli orbitali ibridi sono formati da diversi orbitali atomici, non molto diversi nell'energia,

2. Il numero di orbitali ibridi è uguale al numero di orbitali atomici coinvolti nell'ibridazione.

3. Gli orbitali ibridi sono gli stessi nella forma della nuvola di elettroni e nell'energia.

4 Rispetto agli orbitali atomici, sono più allungati nella direzione di formazione dei legami chimici e quindi causano una migliore sovrapposizione delle nubi di elettroni.

Va notato che l'ibridazione degli orbitali non esiste come processo fisico. Il metodo di ibridazione è un modello conveniente per la descrizione visiva delle molecole.

Ibridazione sp

sp–ibridazione avviene, ad esempio, nella formazione di alogenuri Be, Zn, Co e Hg(II). Nello stato di valenza, tutti gli alogenuri metallici contengono elettroni s e p spaiati al livello di energia corrispondente. Quando si forma una molecola, un orbitale s e uno p formano due orbitali sp ibridi con un angolo di 180° (Fig. 5).

Fig.5 sp orbitali ibridi

I dati sperimentali mostrano che tutti gli alogenuri Be, Zn, Cd e Hg(II) sono lineari ed entrambi i legami hanno la stessa lunghezza.

sp 2 ibridazione

Come risultato della combinazione di un orbitale s e di due orbitali p, si formano tre orbitali ibridi sp 2, situati sullo stesso piano con un angolo di 120° l'uno rispetto all'altro. Questa è, ad esempio, la configurazione della molecola BF 3 (Fig. 6):

Fig.6 sp 2 orbitali ibridi

sp 3 ibridazione

sp 3 -L'ibridazione è caratteristica dei composti di carbonio. Come risultato della combinazione di un orbitale s e tre orbitali p, si formano quattro orbitali ibridi sp 3, diretti ai vertici del tetraedro con un angolo tra gli orbitali di 109,5 o. L'ibridazione si manifesta nella completa equivalenza dei legami dell'atomo di carbonio con altri atomi nei composti, ad esempio in CH 4, CCl 4, C (CH 3) 4, ecc. (Fig. 7).

Fig.7 sp 3 orbitali ibridi

Il metodo di ibridazione spiega la geometria della molecola di ammoniaca. Come risultato della combinazione di un orbitale di azoto 2s e tre 2p, si formano quattro orbitali ibridi sp 3. La configurazione della molecola è un tetraedro distorto, in cui tre orbitali ibridi partecipano alla formazione di un legame chimico e il quarto con una coppia di elettroni no. angoli tra Obbligazioni N-H non uguale a 90 o come in una piramide, ma non uguale a 109,5 o corrispondente ad un tetraedro (Fig. 8):

Fig.8 sp 3 - ibridazione nella molecola di ammoniaca

Quando l'ammoniaca interagisce con uno ione idrogeno H + + ׃NH 3 \u003d NH 4 +, a seguito dell'interazione donatore-accettore, si forma uno ione ammonio, la cui configurazione è un tetraedro.

L'ibridazione spiega anche la differenza nell'angolo tra i legami OH nella molecola d'acqua d'angolo. Come risultato della combinazione di un orbitale di ossigeno 2s e tre 2p, si formano quattro orbitali ibridi sp 3, di cui solo due partecipano alla formazione di un legame chimico, che porta a una distorsione dell'angolo corrispondente al tetraedro (Fig. .9):

Fig 9 sp 3 - ibridazione in molecola d'acqua

L'ibridazione può includere non solo s e p-, ma anche d e f-orbitali.

Con l'ibridazione sp 3 d 2 si formano 6 nuvole equivalenti. Si osserva in composti come 4-, 4- (Fig. 10). In questo caso, la molecola ha la configurazione di un ottaedro:

Riso. dieci d 2 sp 3 -ibridazione in ione 4-

Le idee sull'ibridazione consentono di comprendere tali caratteristiche della struttura delle molecole che non possono essere spiegate in altro modo. L'ibridazione degli orbitali atomici (AO) porta a uno spostamento della nuvola di elettroni nella direzione della formazione del legame con altri atomi. Di conseguenza, le regioni sovrapposte degli orbitali ibridi risultano essere più grandi rispetto agli orbitali puri e la forza di legame aumenta.

Legame π delocalizzato

Secondo il metodo MVS, la struttura elettronica di una molecola si presenta come un insieme di diversi schemi di valenza (metodo della coppia localizzata). Ma, come si è scoperto, è impossibile spiegare i dati sperimentali sulla struttura di molte molecole e ioni solo in termini di legame localizzato. Gli studi dimostrano che solo i legami σ sono sempre localizzati. In presenza di legami π, ci possono essere delocalizzazione, in cui la coppia di elettroni di legame appartiene contemporaneamente a più di due nuclei atomici. Ad esempio, è stato stabilito sperimentalmente che la molecola BF 3 ha una forma triangolare piatta (Fig. 6). Tutti e tre i collegamenti

B–F sono equivalenti, tuttavia, il valore della distanza internucleare indica che il legame è intermedio tra singolo e doppio. Questi fatti possono essere spiegati come segue. All'atomo di boro, come risultato della combinazione di un orbitale s e due orbitali p, si formano tre orbitali ibridi sp 2, situati sullo stesso piano con un angolo di 120 circa l'uno rispetto all'altro, ma il p libero non ibridato -l'orbitale rimane inutilizzato e gli atomi di fluoro hanno coppie elettroniche non condivise. Pertanto, è possibile formare un legame π dal meccanismo donatore-accettore. L'equivalenza di tutti i legami indica la delocalizzazione del legame π tra tre atomi di fluoro.

La formula strutturale della molecola BF 3, tenendo conto della delocalizzazione del legame π, può essere rappresentata come segue (il legame non localizzato è indicato da una linea tratteggiata):

Riso.11 La struttura della molecola BF 3

Un legame π non localizzato determina la molteplicità non intera del legame. In questo caso è uguale a 1 1/3 poiché tra l'atomo di boro e ciascuno degli atomi di fluoro c'è un legame σ e 1/3 parte del legame π.

Allo stesso modo, l'equivalenza di tutti i legami nello ione NO 3 - indica la delocalizzazione del legame π e la carica negativa a tutti gli atomi di ossigeno. In uno ione triangolare piatto NO 3 - (sp 2 -ibridazione dell'atomo di azoto) delocalizzato

I legami π (rappresentati da linee tratteggiate) sono distribuiti uniformemente tra tutti gli atomi di ossigeno (Fig. 12)

Riso. 12 Formula strutturale dello ione NO 3 - tenendo conto della delocalizzazione del legame π

Allo stesso modo, i legami π delocalizzati sono distribuiti uniformemente tra tutti gli atomi di ossigeno negli anioni: PO 4 3- (sp 3 - ibridazione dell'atomo di fosforo → tetraedro), SO 4 2- (sp 3 - ibridazione dell'atomo di zolfo → tetraedro) ( Fig. 13)

Fig.13 Formule strutturali di SO 4 2- e PO 4 3- tenendo conto della delocalizzazione