Курс общей химии. Мингулина, Масленникова, Коровин_1990 -446с (Учебник по химии), страница 10

П.4). Простейший случай а-связи наблюдается у молекулы Нн образующейся за счет перекрывания з-орбиталей атомов водорода (рис. 1!.4,а). Вследствие сферической формы э-орби- талей два з-электрона могут образовывать только такую связь, при которой перекрывание атомных орбиталей происходит вдоль оси, соединяющей ядра атомов. о-Связь может возникнуть также при перекрывании э- и р-орбиталей (рис. П.4,б), двух р-орбиталей (рис. П,4, в), двух д-орбиталей (рис. 11.4, г) с(- и з-орбиталей и 4(- и р-орбиталей. о-Связь возникает, если атомные р- и «-орбнтали ориентированы вдоль оси связи.

и-Связь осуществляется при перекрывании атомных орбиталей по обе стороны оси, соединяющей ядра атомов. При взаимодействии двух р-орбиталей (рис. П.5, а), расположенных перпендикулярно оси, соединяющей ядра атомов, возникают две обласр р г Рис. 11Л. Перекрывание различных электронных обла. ков при образовании а-связи тн перекрывания. Соответственно я-связь характеризуется двумя областями перекрывания, расположенными по обе стороны оси, соединяющей ядра атомов. я-Связь также может образоваться при перекрывании р- и хх-орбнталей (рис.

И.б, б) или двух хх-орбиталей (рнс. И.б,в). б-Связь возникает при перекрывании двух т(-орбнталей, расположенных в параллельных плоскостях (рис. И.б). Таким образом, юэлектроны могут участвовать лишь в образовании о-связи, р-электроны — в образовании о- и л-связей, а д-электроны — как в образовании о- и п-связей, так н Ь-связей.

Еще более разнообразны способы взаимодействия 1-электронов. и- и Ь-Связи налагаются на о-связи, вследствие чего образуются двойные и тройные связи. Например, между атомами углерода в молекуле этилена образуются одна о- и одна п-связи. Соответственно связь между атомами углерода является двойной: НхС=СНх. Двойные связи также возникают при образовании молекул СОх ((Ъ=С=О), некоторых кислот н т. и.

Между атомами углерода в молекуле ацетилена имеется одна а-связь и две л-связи, соответственно связь между атомами углерода является тройной, НС=СН. Тройная связь также возникает при образовании молекулы азота )Ч )х). Число связей, образующихся между атомами, называется к р а т н о с т ь ю (п о р я д к о м) связи. С увеличением кратности (порядка) связи изменяется длина связи и ее энергия. На рнс. И.7 приведена зависимость между энергией н кратностью связи, которая имеет нелинейный характер.

Энергия двойной связи не увеличивается в два раза, а энергия тройной связи не увеличивается в три раза по сравнению с энергией одинарной связи. Это обусловлено разницей в энергии о- и л-связей. Так, например, для связей углерод — углерод энергия о-связи меньше энергии я-связи; для связей азот — азот — обратное соотношение. Гибридизация атомных орбнталей.

Часто в образовании нескольких химических связей участвуют различные атомные орбитали одного н того же атома. Например, в молекуле метана четыре химические связи образованы путем перекрывания трех р- н одной л-орбнтали атома углерода с четырьмя л-орбиталями атомов водорода. Так как энергия и форма л- и р-орбиталей различны, то можно было бы ожидать, что одна из четырех свя- д-р и Рис. ПД, Перекрывание электронных облаков нри образовании и-евяэн 42 зей в молекуле метана будет отличаться от других связей по прочности н по характеру направленности.

Однако эксперименты показали, что все четыре связи в молекуле метана равноценны. Этот и другие подобные факты удалось объяснить с помощью теории гибридизации атомных орбиталей. Согласно этой теории, при образовании молекул происходит изменение формы н энергии атомных орбиталей. Вместо неравноценных, например з- и р-орбнталей, образуются равноценные гибридные орбиталн, имеющие одинаковую энергию н форму, т. е.

происходит гибридизация (смешение) атомных орбиталей. При образовании химических связей с участием гибридных орби- талей выделяется больше энергии, чем при образовании связей с участием отдельных з- и р-орбиталей, Рис. П.б. Перекрывание злектронных облаков при образова- нии б-связи ъ трр д 6 аз Но ср й лр г поэтому гибридизация атомных орбн-, «рлхлззсвь слизи талей приводит к большему понижению энергии системы и соответствен- Рис. П.7. Влияние кратности но повышению устойчивости моле- связи утлерох — утворил иа ее кулы. На рнс.

П.8 представлена форма гибридной орбитали, возника-, ющей при комбинации атомных з-.н р-орбиталей. Гибридная з — р-орбиталь больше вытянута в одну сторону от ядра, чем в другую. Электронная плотность в области перекрывания гибридного электронного облака будет больше электронной плотности в области перекрывания только з- или р-орбиталей. Поэтому связь, образованная электронамн гибридной орбнтали, характеризуется большей прочностью, чем связь, образованная электронами з- или р-орбнтали. Гибридизация атомных орбиталей обусловливает также н более симметричное распределение электронной плотности в молекуле Так, при комбинации атомных з- и р-орбиталей (зр-гибридизации) возникают две гибридные орбитали, расположенные относительно друг друга под углом !80' (рис. П.9).

Смешение одной з- н двух р-орбиталей (зр'-гибридизация) приводит к образованию трех гибридных орбиталей, расположенных друг к другу под углом 120' (рнс. П.10). Взаимодействие одной з- н трех р-орбнталей сопровождается зрз-гибридизацией, при которой четыре гибридные орбнтали симметрично ориентированы в пространстве к четырем вершинам тетраэдра, т.

е, расположены под углом 109'28' (рнс. П.11). Пространственная конфигурация молекул. Направленность химических связей определяет пространственную конфигурацию молекул. Если в состав молекул входят два одинаковых или два различных атома, перекрывание атомных орбиталей которых происходит вдоль оси, соединяю!пей центры их ядер, то молекулы имеют линейную форму.

Такая форРис. И 8. Форма лр-гибридной Ма ХараКтЕрНа дЛя МОЛЕКУЛ ВОДОРО- орбиталн да, галогенов, элементов 1 группы периодической системы (в парообразном состоянии молекулы элементов этой группы состоят из двух атомов: ~)аз, Кз и т. п.). Если при образовании химйческих связей возникают две бр-гибридные орбитали, 'расположенные друг к другу под углом 180' (см. рис. П.9), то молекула будет иметь линейную форму. Примерами таких молекул являются молекулы галидов бериллия. Возбужденный атом бериллия имеет два неспаренных электрона (2б' и 2р'), при гибридизации атомных орбиталей образуются две бр-орбитали. При взаимодействии бериллия с галогенамн происходит перекрывание бр-орбиталей бериллия с р-орбиталями гало- генов, в результате чего образуются молекулы линейной формы, например Вг — Ве — Вг. Если при образовании химических связей происходит брз-гибридизация электронных орбиталей атома, то возникают три брз-орбитали, расположенные друг к другу под углом 129' (см.

рис. П.10). При взаимодействии такого атома с тремя дру- гр — ггг0рцбцгпцол Рис. 0.9. Схема лр-гибридизации Рнс. !!.!О. Схема лр'-гибридизации: а — !т -!- р+ р1-арбитали, б — три тр'-орбнтлли Рис. 1!.1!. Схема лр'-гибридизации: а — !э+ р-1- р+ р!.орбнгалн; б — четыре эрсорбнгелн гимн образуется молекула, имеющая форму плоского треугольни- ка, например молекула ВГз: Т а б л и ц а 11.3.

Пространственные структуры некоторых соединений Числа элек- тронных пар Гнб. рили. вицин орби- талей централь. ного ато- ма Соединения Конфигурация молекул Угол между связями, град СОг, НКС!э, Нерв ВР, ВСЬ Р1Нэ СНг, сбНг РС! 5рв Линейная Тригональная, плоская Тригональная, пирамида Тетраэдр Тригональная, бипирамида Октаэдр 180 120 107,3 ! 09,28 90 90 5!э л!г л!г л!г г!лр !г. При зр'-гибридизации образуются четыре Урз-орбитали, расположенные друг к другу под углом 109'28' (см. рис.

1!.1!). Поэтому при взаимодействии атома, у которого имеются неспаренные один у- и три р-электрона, с четырьмя другими атомами образуется молекула, имеющая конфигурацию тетраздра. Простпранственная конфигурация молекул, образованных при лр-, зр - и зрз-гибридизации, представлена на рис. П.!2, а, б, в и приведена в табл.

П.З. При других видах гибридизации образуются молекулы еще более сложной конфигурации (рис. П.!2,г,д,е! табл. П.З). Рис. Н.!2. Пространственная конфигурация некоторых молекул: а — линейная; б — треугольная: а — теграадрнческая; г— трнгональио-биинраиндальная; д — ентаадрическая; е тригоиальио-инранидальная На пространственную конфигурацию молекул влияют внешние атомные орбнтали, имеющие иеподеленную пару электронов. Рассмотрим конфигурацию молекулы ИНа. Внешний уровень атома азота имеет строение ДЦ ЯЩ~ Если считать, что ковалентные связи в молекуле ХНа образованы за счет участия трех р-электронов атома азота, то валентный угол между ними должен быть равным 90'. Однако он составляет 107'3', рис.