Теорія гібридизації валентних орбіталей

Дуже часто електрони, які беруть участь в утворенні ковалентного зв'язку, знаходяться в різних станах, наприклад один в s-, інший в р-. Здавалося б і зв'язку в молекулах за властивостями повинні бути нерівноцінними. Однак досвід показує, що вони рівноцінні. Це явище пояснюється поданням про гібридизації атомних орбіталей, введеним Полингом.

Гібридизація валентних орбіталей- це процес змішування орбіталей і вирівнювання їх за формою і по енергії. Гібридна орбиталь ассиметрична сильно витягнута в одну сторону від ядра. Хімічна зв'язок, утворена за участю електронів гібридних орбіталей, міцніші зв'язки з участю електронів негібридних орбіталей, тому що при гібридизації відбувається більше перекривання.

Гібридизацію валентних орбіталей розглянемо на прикладі утворення молекул хлориду магнію, хлориду алюмінію і метану.

Перехід атома магнію в збуджений стан супроводжується роз'єднанням спарених валентних s-електронів. Перехід атома в збуджений стан, вимагає витрати енергії, яка з надлишком компенсується процесом утворення хімічних зв'язків.

Mg 2s 2 - Mg * 2s 1 2p 1

У збудженому стані магній приєднує два атоми хлору. Причому обидві зв'язку магній - хлор рівноцінні і розташовані під кутом 180 градусів, тобто молекула має лінійну форму. У даній молекулі реалізується sp-гібридизація.

У молекулі хлориду алюмінію здійснюється sp 2-гібридизація орбіталей центрального атома. У атома алюмінію в гібридизації беруть участь орбіталі одного s- і двох р-електронів, що призводить до утворення трьох гібридних орбіталей, розташованих під кутом 120 0. Молекула має форму плоского рівностороннього трикутника з атомом алюмінію в центрі. Кожна з трьох гібридних орбіталей алюмінію пов'язана з р-орбиталью хлору.

При утворенні молекули метану атом вуглецю переходить в збуджений стан, і отримані чотири неспарених електрона піддаються sp 3-гібридизації. Валентний кут між осями гібридних орбіталей тут становить 109 0 28. В результаті перекривання чотирьох гібридних sp 3 -орбіталей атома вуглецю і s-орбіталей чотирьох атомів водню утворюється молекула у формі тетраедра.

При утворенні молекул води і аміаку відбувається sp 3-гібридизація атомних орбіталей атомів кисню та азоту. Але у атома вуглецю всі чотири орбіталі зайняті електронними парами, тоді як у атома азоту одна гібридна орбіталь зайнята несвязивающей неподіленої електронної парою, а у атома кисню ними зайнято дві орбіталі. Т.ч. на зміну кута від тетраедричного позначається відразливе вплив неподіленого електронних пар. У молекулі аміаку валентний кут складає 107 градусів, а в молекулі води - 104,5 градусів.

Можливий інший механізм утворення ковалентного зв'язку - донорно-акцепторні. В цьому випадку хімічний зв'язок виникає за рахунок електронної пари одного атома (донора) і вільної (вакантної) орбіталі іншого атома (акцептора). Як приклад розглянемо механізм утворення іона амонію NH4 +. Атом азоту є донором, так як має неподеленную пару електронів, які не беруть участі в утворенні зв'язків в молекулі аміаку. Катіон водню ж має не заповнену s-орбіталь - акцептор. Отже, в даній молекулі четверта ковалентний зв'язок виникає за рахунок того, що неподіленого електронних пари атома азоту потрапляє в вакантну орбіталь іона водню є донорно-акцепторної.

Речовини з ковалентними зв'язками можуть бути твердими (парафін, лід), рідкими (вода, спирт) і газоподібними (водень, сірководень) при звичайних умовах.

Хімічна зв'язок між іонами, що здійснюється електростатичним притяганням, називається іонним зв'язком. Іонну зв'язок можна розглядати як граничний випадок ковалентного полярного зв'язку. У механізмі утворення ковалентного і іонної зв'язків немає суттєвої різниці. Вони розрізняються лише ступенем поляризації (зміщення) електронних пар.

На відміну від ковалентного іонна зв'язок характеризується ненаправленим і ненасиченістю. Внаслідок цього з'єднання з іонним зв'язком, представляють собою тверді тіла з іонними кристалічними гратами.

У металів найнижча енергія іонізації, тому в них валентні електрони легко відриваються від окремих атомів і стають загальними для всього кристала (обооществленнимі). Так утворюються позитивні іони металу і електронний газ - сукупність рухомих електронів.

Зв'язок, утворена в результаті перекривання вакантних орбіталей атомів металів і делокалізації електронів між цими атомами внаслідок утворення кристалічної решітки називається металевої.

Металева зв'язок подібна до ковалентного, тому що в основі утворення цих зв'язків лежать процеси усуспільнення валентних електронів. Металева зв'язок спрямована, тому що електрони розподілені по кристалу майже рівномірно. Ця залежність характерна тільки для металів в рідкому і твердому агрегатному стані. У пароподібному стані атоми металів пов'язані між собою ковалентним зв'язком.

Зв'язок між атомами водню і атомами іншого сильно ЕО елемента (F, O, N) називається водневої. Вона биваетмежмолекулярной і внутрімолекулярної.

Межмолекулярная воднева зв'язок виникає між молекулами, до складу однієї з яких входить водень, а інший - сильно електронегативний елемент (фтор, кисень, азот). При зближенні таких молекул відбувається усуспільнення електронної пари електронегативного атома між ним і іоном водню (молекули фтороводорода іводи).

Внутрішньомолекулярна воднева зв'язок виникає між атомами знаходяться в одній молекулі (найчастіше це молекули органічних сполук).