1. Основное и возбужденное состояние атома углерода

Внеш­ний уро­вень атома уг­ле­ро­да в ос­нов­ном (невоз­буж­ден­ном) со­сто­я­нии опи­сы­ва­ет­ся фор­му­лой 2s²2p² или схе­мой:

В этом стро­е­нии за­ло­же­ны пред­по­сыл­ки для свое­об­раз­ной сим­мет­рии – для че­ты­рех элек­тро­нов име­ют­ся как раз 4 ор­би­та­ли. Еще в се­ре­дине XIX века немец­кий уче­ный Фри­дрих Ке­ку­ле спра­вед­ли­во пред­по­ло­жил, что в ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ни­ях ва­лент­ность уг­ле­ро­да равна че­ты­рем.

С точки зре­ния элек­трон­но­го стро­е­ния атома это можно объ­яс­нить так:

Один элек­трон с 2s-ор­би­та­ли «пе­ре­ска­ки­ва­ет» на 2p-ор­би­таль, атом уг­ле­ро­да при этом пе­ре­хо­дит в так на­зы­ва­е­мое воз­буж­ден­ное со­сто­я­ние:

Воз­буж­ден­ное со­сто­я­ние атома уг­ле­ро­да 2s¹2p³:

поз­во­ля­ет атому уг­ле­ро­да об­ра­зо­вать 4 ко­ва­лент­ные связи по об­мен­но­му ме­ха­низ­му.

2. Гибридизация

Три p-ор­би­та­ли тра­ди­ци­он­но изоб­ра­жа­ют в форме вза­им­но пер­пен­ди­ку­ляр­ных друг другу «ган­те­лей», а s-ор­би­таль – в форме шара. Три связи, об­ра­зо­ван­ные p-элек­тро­на­ми, долж­ны рас­по­ла­гать­ся под углом 90^o друг к другу, и они зна­чи­тель­но длин­нее, чем связь, об­ра­зо­ван­ная s-элек­тро­ном. Но метан СН₄ – это сим­мет­рич­ный тет­ра­эдр.

Еще в 1874 г., за много лет до того, как стало воз­мож­ным пря­мое опре­де­ле­ние стро­е­ния мо­ле­кул, Якоб Ген­рик Вант-Гофф (1852–1911), бу­дучи сту­ден­том Утрехт­ско­го уни­вер­си­те­та, пред­по­ло­жил, что атом уг­ле­ро­да в со­еди­не­ни­ях имеет тет­ра­эд­ри­че­ское стро­е­ние. Стро­е­ние мо­ле­ку­лы ме­та­на СН₄ – пра­виль­ный тет­ра­эдр с ато­мом уг­ле­ро­да в цен­тре. Ва­лент­ные углы свя­зей Н-С-Н равны 109^о28’.

Упро­щен­ное объ­яс­не­ние: все ор­би­та­ли внеш­не­го уров­ня уг­ле­ро­да вы­рав­ни­ва­ют­ся по энер­гии и форме, сме­ши­ва­ют­ся, т.е. «ги­бри­ди­зу­ют­ся», об­ра­зуя оди­на­ко­вые ги­брид­ные ор­би­та­ли. См. рис. 1.

Рис. 1. Ги­бри­ди­за­ция – это сме­ши­ва­ние элек­трон­ных об­ла­ков при об­ра­зо­ва­нии хи­ми­че­ских свя­зей

3. Пространственное строение молекул с разным видом гибридизации

Сме­ше­ние одной s-ор­би­та­ли и трех p-ор­би­та­лей дает че­ты­ре sp³-ги­брид­ные ор­би­та­ли, вы­тя­ну­тые по углам тет­ра­эд­ра с ато­мом С в цен­тре. Уг­ле­род в ме­тане на­хо­дит­ся в со­сто­я­нии sp³-ги­бри­ди­за­ции. Рис. 2.

Рис. 2. Стро­е­ние ме­та­на

Стро­е­ние ам­ми­а­ка

Таким же об­ра­зом ги­бри­ди­зу­ют­ся че­ты­ре ор­би­та­ли атома азота в мо­ле­ку­ле ам­ми­а­ка NH₃: У атома азота 5 элек­тро­нов на внеш­нем уровне. По­это­му на одной sp³-ор­би­та­ли рас­по­ло­же­на непо­де­лен­ная пара элек­тро­нов, а на осталь­ных трех – элек­трон­ные пары свя­зей N-H. Все че­ты­ре элек­трон­ные пары рас­по­ла­га­ют­ся по углам ис­ка­жен­но­го тет­ра­эд­ра (элек­трон­ное об­ла­ко непо­де­лен­ной пары боль­ше, чем свя­зы­ва­ю­щей). Рис. 3

Рис. 3. Стро­е­ние ам­ми­а­ка

Стро­е­ние воды

У атома кис­ло­ро­да 6 элек­тро­нов на внеш­нем уровне. По­это­му на двух sp³-ор­би­та­лях рас­по­ло­же­ны непо­де­лен­ные пары элек­тро­нов, а на осталь­ных двух – элек­трон­ные пары свя­зей О-H. Мо­ле­ку­ла имеет уг­ло­вое стро­е­ние. Рис. 4.

Рис. 4. Стро­е­ние воды

При таком ана­ли­зе стро­е­ния мо­ле­кул важно не пу­тать гео­мет­рию рас­по­ло­же­ния в про­стран­стве элек­трон­ных пар и гео­мет­рию хи­ми­че­ских свя­зей. Мы видим, что в ам­ми­а­ке и воде не все элек­трон­ные пары участ­ву­ют в об­ра­зо­ва­нии хи­ми­че­ских свя­зей.

 Гео­мет­рия мо­ле­кул или хи­ми­че­ских свя­зей рас­смат­ри­ва­ет имен­но рас­по­ло­же­ние ато­мов в про­стран­стве, не опи­сы­вая рас­по­ло­же­ние непо­де­лен­ных элек­трон­ных пар. Элек­трон­ные об­ла­ка ги­брид­ных ор­би­та­лей ста­ра­ют­ся как можно даль­ше от­толк­нуть­ся друг от друга. Если об­ла­ка че­ты­ре– то они разой­дут­ся по углам тет­ра­эд­ра, три – раз­ме­стят­ся в плос­ко­сти под углом 120°.

Стро­е­ние мо­ле­ку­лы BF₃

На внеш­нем уровне атома бора 3 элек­тро­на. При об­ра­зо­ва­нии свя­зей бор, как и уг­ле­род, пе­ре­хо­дит в воз­буж­ден­ное со­сто­я­ние. Одна s- и две p-ор­би­та­ли, на ко­то­рых есть элек­тро­ны, ги­бри­ди­зу­ют­ся, об­ра­зуя три оди­на­ко­вых sp²-ги­брид­ных ор­би­та­ли, рас­по­ла­га­ю­щи­е­ся по углам рав­но­сто­рон­не­го тре­уголь­ни­ка с ато­мом бора в цен­тре. Рис. 5

Рис. 5. Стро­е­ние три фто­ри­да бора

Вывод: Гео­мет­рия мо­ле­кул рас­смат­ри­ва­ет рас­по­ло­же­ние ато­мов в про­стран­стве, не опи­сы­вая рас­по­ло­же­ние непо­де­лен­ных элек­трон­ных пар. Так, стро­е­ние мо­ле­ку­лы воды, со­сто­я­щей из трех ато­мов, – не тет­ра­эд­ри­че­ское, а уг­ло­вое.

Под­ве­де­ние итога

Вы по­лу­чи­ли пред­став­ле­ние о теме «Гео­мет­рия мо­ле­кул. По­ня­тие о тео­рии ги­бри­ди­за­ции». Был рас­крыт уни­вер­саль­ный ха­рак­тер про­цес­са ги­бри­ди­за­ции для ор­га­ни­че­ских, слож­ных неор­га­ни­че­ских ве­ществ и ал­ло­троп­ных мо­ди­фи­ка­ций уг­ле­ро­да. Вы узна­ли о за­ви­си­мо­сти гео­мет­рии мо­ле­кул от типа ги­бри­ди­за­ции элек­трон­ных ор­би­та­лей и свойств ве­ществ от гео­мет­рии мо­ле­кул.