Гибридизация атомных орбиталей

Перестройка электронной структуры атома, представляет собой гибридизацию атомных орбиталей. Из исходных s-, p-, d-орбиталей (электронных облаков) образуются равноценные гибридные орбитали (электронные облака), вытянутые по направлению к соседним атомам. При этом обеспечивается более полное перекрывание с облаками этих соседних атомов, что приводит к выигрышу энергии, достаточному, чтобы с избытком компенсировать затраты на деформацию исходных электронных облаков.

sp-Гибридизация происходит у орбиталей атомов элементов II группы периодической системы Д.И. Менделеева, при образовании галогенидов. Атомы этих элементов в нормальном состоянии имеют во внешнем уровне два спаренных s-электрона. В результате возбуждения один из s-электронов переходит в р-состояние, появляются два неспаренных электрона, один из которых s-электрон, другой р-электрон

Энергия электронов р-подуровня выше, чем энергия электронов s-подуровня. Из исходных s- и р-орбиталей возбужденного атома бериллия (Be^*) образуются две гибридные, одинаковые по энергии орбитали (облака) в форме неправильной гантели, расположенные под углом 180^о друг к другу

При взаимодействии с р-орбиталями хлора, происходит перекрывание электронных облаков вдоль линии, соединяющей ядра взаимодействующих атомов. Форма молекул при sp-гибридизации линейная

sp²-Гибридизация происходит у орбиталей атома бора и его аналогов. Возбужденный атом бора обладает тремя неспаренными электронами – одним s-электроном и двумя р-электронами

Из трех орбиталей образуются три эквивалентные sp²-гибридные орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120^о друг к другу

В образовании молекулы ВF₃ участвуют 3 гибридных электронных облака атома бора и три р-электронных облака атома фтора. Форма молекул молекулы ВF₃ – правильный треугольник на плоскости

sp³-Гибридизация характерна для атомов углерода и его аналогов – кремния, германия. Из одной s- и трех р-орбиталей атомов в возбужденном состоянии образуются четыре гибридных орбитали, расположенные под углом 109,5^о друг к другу, они направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом углерода; ребрами тетраэдра являются диагонали сторон куба

Молекула СН₄ имеет форму тетраэдра, причем все четыре С-Н связи сигма (σ) равноценны

В таблице даны типы гибридизации орбиталей и «архитектуры» молекул.

Гибридизация орбиталей и пространственная конфигурация молекул

При образовании двойных, тройных связей в органических соединениях (этилен, ацетилен) происходит перекрывание р-электронных облаков в плоскостях, перпендикулярно σ-связям и образование π-связей.

Атомы большинства металлов на внешнем энергетическом уровне содержат небольшое число электронов (1, 2. 3), это в основном s- и d-элементы. В обычных условиях металлы - кристаллические вещества (кроме ртути). На рисунке представлена схема кристаллической решетки натрия.

Как видно, каждый атом натрия окружен восемью соседними атомами. У атома натрия, как и у других металлов, имеется избыток валентных орбиталей и недостаток электронов. При сближении атомов в результате образования кристаллической решетки валентные орбитали соседних атомов перекрываются, благодаря чему электроны свободно перемещаются из одной орбитали в другую, осуществляя связь между всеми атомами кристалла металла. Такой тип химической связи называется металлической.

Между ковалентной и металлической связью имеется большое сходство – оба типа химической связи основаны на обобществлении валентных электронов. Только в металлах обобществленные электроны обслуживают весь кристалл, то есть они полностью делокализованы. Электроны, осуществляющие связь, обобществлены («электронный газ») и перемещаются по всему объему металла, в целом электронейтрального. Этим объясняется отсутствие пространственной направленности металлической связи и высокие координационные числа металлических структур. Это означает, что металлическая связь не проявляет свойств насыщаемости, столь характерных для ковалентной связи. Делокализация же валентных электронов в металлах является следствием многоцентрового характера металлической связи и причиной хорошей электро- и теплопроводности металлов, пластичности и ковкости. Для веществ с ковалентной связью при отсутствии примесей электропроводность может быть обеспечена только в результате разрушения этих связей. Объясняется это тем, что ковалентная связь соединяет только два соседних атома, а общие электроны пребывают в непосредственной близости от них и прочно с ними связаны.

Металлическая связь – многоцентровая химическая связь с дефицитом электронов, основанная на обобществлении внешних электронов атомов. Таким образом, металлическая связь характерна только для конденсированного состояния вещества. В паро- и газообразном состоянии атомы всех веществ, в том числе и металлов, связаны между собой только ковалентной связью.

Аналогия между ковалентной и металлической связями подтверждается распределением электронной плотности между атомными остовами. Для обоих типов связей в пространстве между атомными остовами сохраняется значительная электронная плотность, образуя электронные мостики между взаимодействующими атомами.

Разница заключается в том, что в ковалентной связи электронные мостики имеют строго определенное пространственное направление, а у металлической связи электронная плотность равномерно распределена по всем направлениям. В результате в решетке типичных металлов все атомы кристаллографически эквивалентны и эффективные заряды атомов равны нулю.

Водородная связь (Н-связь) – это связь, образуемая протонированным атомом водорода с сильноэлектроотцательным атомом той же или другой молекулы. В обычных условиях валентность водорода равна 1, и он способен обобществлять с другими атомами одну электронную пару, образуя ковалентную связь: атом водорода может присоединять электрон, образуя гидрид-ион Н⁺.

Атом водорода обладает особенностью, отличающей его от всех остальных атомов: отдавая свой электрон, он остается в виде ядра без электронов, т.е. в виде частицы, диаметр, которой в тысячи раз меньше диаметра остальных атомов. При отсутствии электронов ион Н⁺ не отталкивается электронными оболочками других атомов или ионов, а наоборот, притягивается; он может близко подходить к другим атомам, взаимодействовать с их электронами и даже внедряться в их электронные оболочки. В жидкостях Н⁺-ионы большей частью не сохраняется в виде самостоятельной частицы, а связываются с молекулами двух веществ: в воде с молекулами воды, образуя ион Н₃О⁺-ион гидроксония; с молекулой аммиака – NH₄⁺-ион аммония.

Будучи связанным с атомом одного из наиболее электроотрицательных элементов: с атомом фтора, кислорода, хлора и азота, атом водорода приобретает относительно высокий положительный заряд, не превышающий единицу. Так как этот заряд сосредоточен на чрезвычайно малом атомном остове, он сильно приближается к другому атому, несущему отрицательный заряд. Это вызывает образование довольно сильной диполь-дипольной связи с энергией 20-30 кДж/моль и больше. Водородная связь возникает в результате междипольного взаимодействия двух сильно полярных связей, принадлежащих различным молекулам или одной и той же молекуле. Она слабее обычной ковалентной связи, энергия которой составляет приблизительно 125-420 кДж/моль и может усиливаться вследствие взаимной поляризации связей, обусловленной указанными особенностями водородного атома. Водородная связь (Н-связь) обозначается Х-Н××××Х.

Атом водорода, участвующий в водородной связи, может располагаться точно посередине между двумя сильноотрицательными атомами – симметричное расположение или же смещаться ближе к тому из них, который имеет большую электроотрицательность – несимметричное расположение.

Энергии водородной связи достаточно, чтобы при обычных и пониженных температурах вызывать заметную диссоциацию молекул. Фтористый водород даже вблизи температуры кипения имеет средний состав (HF)₄. Ассоциация приводит к аномально высоким температурам плавления и кипения фтороводорода. Существование димера H₂F₂ объясняет образование кислых солей типа KHF₂×NaHF₂. Тот факт, что фтористоводородная кислота, в отличие от хлористоводородной, бромистоводородной и иодистоводородной, представляет собой слабую кислоту (К_д = 7×10^-4) – тоже является следствием ассоциации молекул HF из-за водородных связей.

При наличии несимметричной водородной связи, которая возникает в соединениях кислорода и азота, водород располагается немного ближе к одному из двух соседствующих атомов, здесь межмолекулярная Н-связь. Каждая молекула Н₂О участвует в образовании двух Н-связей, так что атом кислорода оказывается связанным с четырьмя атомами водорода. Ассоциированные молекулы воды образуют ажурную пространственную структуру, где каждый атом кислорода располагается в центре тетраэдра, а в углах находятся атомы водорода.

Ажурной структурой льда объясняется его меньшая плотность, чем воды. При плавлении часть Н-связей рвется и увеличивается плотность воды, т.к. молекулы располагаются более плотно. Рентгеновское исследование показало, что для большей части молекул в жидкой воде сохраняется также тетраэдрическое окружение: расположение соседних молекул почти такое же, как и в кристалле льда, а в последующем слое повторяется

некоторое отклонение от указанной упорядоченности; отклонение увеличивается по мере удаления от взятой молекулы. Для воды характерно наличие «ближнего порядка» как и для других жидкостей, и в меньшей степени, по сравнению с другими жидкостями, наличие «дальнего порядка». Этим объясняется наличие кристаллической структуры в воде.

Свойства воды такие как, большие значения теплоемкости и теплоты испарения, аномально высокие температуры плавления и кипения, высокая диэлектрическая проницаемость – из-за связанности молекул воды водородными связями. Без Н-связей t_{пл.воды} = -100 ^оС, t_{кип.воды} = -80 ^оС.

Водородные связи присутствуют в жидком аммиаке. Водородный атом, связанный с углеродом, может приобрести способность образовывать водородную связь, если остальные валентности углерода насыщаются сильно электроотрицательными атомами или соответствующими атомными группами, например, хлороформ (СНСl₃), пентахлорэтан (CCl₃-CHCl₂), т.е. соседство электроотрицательных атомов может активировать образование водородной связи у атомов СН-групп, хотя электроотрицательность атомов С и Н почти одинакова. Этим объясняется возникновение Н-связей между молекулами в жидких HCN, CHF₃ и др.

Водородная связь свойственна любым агрегатным состояниям вещества. Она образуется между одинаковыми и между различными молекулами, между различными частями одной и той же молекулы – внутримолекулярная водородная связь. Наиболее распространенной является Н-связь между молекулами, содержащими гидроксильные группы ОН^-.

Простые эфиры даже с большей молярной массой более летучи, чем спирты, так как в эфирах все атомы водорода связаны с атомами углерода и не способны образовывать Н-связи.

Велика роль Н-связи в биохимических системах. Свойства белков и нуклеиновых кислот в значительной степени обусловлены наличием водородной связи. Н-связь играет большую роль в процессах растворения. Особенно распространены водородные связи в молекулах белков, нуклеиновых кислот и других биологически важных соединений, поэтому эти связи играют важную роль в химии процессов жизнедеятельности.

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: