Ковалентная химическая связь характеризуется направленностью, что обусловлено определенными ориентациями атомных электронных облаков (АО) в пространстве.
Связь, образованная перекрыванием АО по линии, соединяющей ядра взаимодействующих атомов, называется σ-связью. Она возникает при перекрывании s-орбиталей, s- и p-орбиталей, р-, d-орбиталей, d- и s-орбиталей и т. д. (рис. 7).
Рис. 7. Перекрывание атомных орбиталей при образовании σ-связей
Связь, образованная перекрывание АО по обе стороны линии, соединяющей ядра взаимодействующих атомов, называется π-связью. Она возникает при перекрывании р – р-орбиталей, p – d-орбиталей, d – d-орбиталей, f – p-орбиталей и пр. (рис. 8).
Гибридизация орбиталей - это изменение формы некоторых орбиталей при образовании ковалентной связи для достижения более эффективного перекрывания орбиталей.
В результате гибридизации появляются новые гибридные орбитали, которые ориентируются в пространстве таким образом, чтобы после их перекрывания с орбиталями других атомов образующиеся электронные пары оказались максимально удалёнными друг от друга. Это сводит к минимуму энергию отталкивания электронов в молекуле.
Гибридизация не является реальным процессом. Это понятие введено для описания геометрической структуры молекулы. Форма частиц, возникающих при образовании ковалентных связей, в которых участвуют гибридные атомные орбитали, зависит от числа и типа этих орбиталей. При этом σ – связи создают жёсткий «скелет» частицы:
|
Орбитали участвующие в гибридизации |
Тип гибридизации |
Пространственная форма молекулы |
Примеры |
|
s, p |
sp – гибридизация |
Линейная |
BeCl2 CO2 C2H2 ZnCl2 BeH2 Две sp - орбитали могут образовывать две σ - связи (BeH2, ZnCl2). Еще две p- связи могут образоваться, если на двух p - орбиталях, не участвующих в гибридизации, находятся электроны (ацетилен C2H2). |
|
s, p, p |
sp2 – гибридизация |
Треугольная (плоская тригональная) |
BH3 BF3 C2H4 AlCl3 Если связь образуется при перекрывании орбиталей по линии, соединяющей ядра атомов, онаназывается σ - связью. Если орбитали перекрываются вне линии, соединяющей ядра, тообразуется π - связь. Три sp2- орбитали могут образовывать три σ - связи (BF3, AlCl3). Еще одна связь (π - связь) может образоваться, если на p- орбитали, не участвующей в гибридизации, находится электрон (этилен C2H4). |
|
s, p, p, p |
sp3 – гибридизация |
Тетраэдрическая |
СH4 NH4+ PO43- BF4- |
На практике вначале экспериментально устанавливают геометрическую структуру молекулы, после чего описывают тип и форму атомных орбиталей, участвующих в её образовании. Например, пространственная структура молекул аммиака и воды близка к тетраэдрической, но угол между связями в молекуле воды равен 104,5˚, а в молекуле NH3 – 107,3˚.
Чем это можно объяснить?
|
Аммиак NH3 |
Молекула аммиака имеет форму тригональной пирамиды с атомом азота в вершине. Атом азота находится в sp3- гибридном состоянии; из четырех гибридных орбиталей азота три участвуют в образовании одинарных связей N–H, а четвертая sp3 - гибридная орбиталь занята неподеленной электронной парой, она может образовать донорно-акцепторную связь с ионом водорода, образуя ион аммония NH4+, а также является причиной отклонения от тетраэдрического угла в строении |
|
Вода H2O |
Молекула воды имеет угловое строение: представляет собой равнобедренный треугольник с углом при вершине 104,5°. Атом кислорода находится в sp3- гибридном состоянии; из четырех гибридных орбиталей кислорода две участвуют в образовании одинарных связей О–H, а две другие sp3 - гибридные орбитали заняты неподеленными электронными парами, их действие является причиной уменьшения угла от 109,28˚ до 104,5°. |
