1. Образование σ-связи

Элек­тро­нам при об­ра­зо­ва­нии хи­ми­че­ской связи вы­год­но рас­по­ла­гать­ся так, чтобы мак­си­мум элек­трон­ной плот­но­сти был между цен­тра­ми свя­зан­ных ато­мов.

Для более де­таль­но­го опи­са­ния в ор­га­ни­че­ской химии ис­поль­зу­ет­ся мо­дель ги­бри­ди­за­ции в двух элек­трон­ном при­бли­же­нии – все связи опи­сы­ва­ют­ся как об­ра­зо­ван­ные неза­ви­си­мы­ми элек­трон­ны­ми па­ра­ми.

Если мак­си­мум элек­трон­ной плот­но­сти лежит на линии, со­еди­ня­ю­щей цен­тры свя­зан­ных ато­мов, то го­во­рят, что об­ра­зу­ет­ся σ-связь.

Об­ра­зо­ва­ние σ-свя­зи про­ис­хо­дит при пе­ре­кры­ва­нии, на­при­мер, двух s-элек­трон­ных об­ла­ков, s- и p-элек­трон­ных об­ла­ков, двух p-элек­трон­ных об­ла­ков. Рис. 1.

Рис. 1. Пе­ре­кры­ва­ние элек­трон­ных об­ла­ков

2. Образование π-связи

Ги­брид­ные ор­би­та­ли об­ра­зу­ют σ-свя­зи. Если связь об­ра­зо­ва­на в сумме двумя или тремя па­ра­ми элек­тро­нов, то σ-связь об­ра­зу­ет толь­ко одна пара.

Вто­рая и тре­тья элек­трон­ные пары не могут на­хо­дить­ся в той же об­ла­сти про­стран­ства. Их мак­си­мум элек­трон­ной плот­но­сти рас­по­ла­га­ет­ся вне цен­тров свя­зан­ных ато­мов. Такой тип пе­ре­кры­ва­ния на­зы­ва­ют π-свя­зью. Рис. 2.

Рис. 2. Об­ра­зо­ва­ние π связи

Об­ра­зо­ва­ние π-свя­зи у ато­мов эле­мен­тов вто­ро­го пе­ри­о­да про­ис­хо­дит толь­ко при пе­ре­кры­ва­нии двух p-элек­трон­ных об­ла­ков.

σ-связь более проч­на, чем π-связь.

Если атомы в мо­ле­ку­ле свя­за­ны толь­ко про­сты­ми (оди­нар­ны­ми) свя­зя­ми, то это – σ-свя­зи. Если же между ато­ма­ми су­ще­ству­ет двой­ная связь, то одна пара элек­тро­нов об­ра­зу­ет σ-, а вто­рая – π-связь. Три пары элек­тро­нов трой­ной связи об­ра­зу­ют одну σ- и две π-свя­зи.

Рис. 3. Об­ра­зо­ва­ние свя­зей в мо­ле­ку­ле эти­ле­на

3. Геометрия молекулы этилена

В мо­ле­ку­ле эти­ле­на каж­дый атом уг­ле­ро­да об­ра­зу­ет по три σ-свя­зи с двумя ато­ма­ми во­до­ро­да и дру­гим ато­мом уг­ле­ро­да. А p-элек­трон уг­ле­ро­да об­ра­зу­ет π-связь с p-элек­тро­ном дру­го­го та­ко­го же атома уг­ле­ро­да. Мак­си­мум элек­трон­ной плот­но­сти π-свя­зи в мо­ле­ку­ле эти­ле­на рас­по­ло­жен вне оси, свя­зы­ва­ю­щей два атома. Рис. 3.

В ор­га­ни­че­ской химии при­ня­то ис­поль­зо­вать для опи­са­ния свя­зей мо­дель ги­бри­ди­за­ции. В мо­ле­ку­ле эти­ле­на C₂H₄ одна p-ор­би­таль оста­ет­ся неги­бри­ди­зо­ван­ной для об­ра­зо­ва­ния p-свя­зи. На ги­бри­ди­за­цию идут одна s- и две p-ор­би­та­ли, при этом об­ра­зу­ют­ся три sp²-ги­брид­ных ор­би­та­ли, ко­то­рые, рас­по­ла­га­ясь как можно даль­ше друг от друга, на­хо­дят­ся в плос­ко­сти под углом 120^о. Все атомы в мо­ле­ку­ле эти­ле­на рас­по­ло­же­ны в одной плос­ко­сти. Мо­ле­ку­ла плос­кая. Рис. 4. Атомы уг­ле­ро­да в эти­лене на­хо­дят­ся в со­сто­я­нии sp²-ги­бри­ди­за­ции.

Рис. 4. Ша­ро­стерж­не­вая мо­дель эти­ле­на

4. Геометрия молекулы ацетилена

В мо­ле­ку­ле аце­ти­ле­на C₂H₂ каж­дый атом уг­ле­ро­да об­ра­зу­ет по две σ- и по две π-свя­зи. Рис. 5.

Рис. 5. Об­ра­зо­ва­ние свя­зей в мо­ле­ку­ле аце­ти­ле­на

На об­ра­зо­ва­ние π-свя­зей идут две неги­бри­ди­зо­ван­ные p-ор­би­та­ли, а на ги­бри­ди­за­цию оста­ют­ся тоже две ор­би­та­ли: одна s- и одна p-ор­би­таль.

В этом слу­чае атомы уг­ле­ро­да имеют sp-ги­бри­ди­за­цию. Две ги­бри­ди­зо­ван­ные ор­би­та­ли рас­по­ла­га­ют­ся, мак­си­маль­но не мешая друг другу, на одной пря­мой. Атомы в мо­ле­ку­ле аце­ти­ле­на рас­по­ло­же­ны на одной пря­мой. Мо­ле­ку­ла ли­ней­ная. Рис. 6. Атомы уг­ле­ро­да на­хо­дят­ся в со­сто­я­нии sp-ги­бри­ди­за­ции.

Рис. 6. Ша­ро­стерж­не­вая мо­дель мо­ле­ку­лы аце­ти­ле­на

5. Алгоритм образования типа гибридизации

1. Опре­де­лить число σ-свя­зей, ко­то­рые об­ра­зу­ет дан­ный атом и число непо­де­лен­ных элек­трон­ных пар на его внеш­нем уровне. Число σ-свя­зей равно числу ато­мов, при­со­еди­нен­ных к дан­но­му.

2. Сло­жить эти два числа.

3. Если сумма равна 4 – ги­бри­ди­за­ция sp³, если 3 – sp², если 2 – sp.

6. Тип гибридизации в молекуле оксидов углерода

Вы по­лу­чи­ли пред­став­ле­ние о теме «Гео­мет­рия мо­ле­кул с крат­ны­ми свя­зя­ми». Были рас­смот­ре­ны во­про­сы об­ра­зо­ва­ния хи­ми­че­ских свя­зей с уча­сти­ем двух или трех пар элек­тро­нов; осо­бен­но­сти рас­по­ло­же­ния этих элек­тро­нов в про­стран­стве, рас­по­ло­же­ния ато­мов в мо­ле­ку­ле, об­ра­зо­ван­ной та­ки­ми свя­зя­ми. Вы узна­ли, что такое s-связь и π-связь. Были си­сте­ма­ти­зи­ро­ва­ны зна­ния о за­ви­си­мо­сти про­стран­ствен­ной кон­фи­гу­ра­ции мо­ле­кул от типа ги­бри­ди­за­ции атом­ных ор­би­та­лей. Было по­ка­за­но, как опре­де­лять гео­мет­рию раз­лич­ных ча­стиц.