Виды гибридизаций АО и геометрические параметры частиц

Длина связи lА-В (нм) – это расстояние между ядрами химически связанных атомов. Эта характеристика зависит от размеров электронных оболочек и степени их перекрывания. Между длиной связи и ее энергией имеется определенная корреляция: чем меньше длина связи, тем больше энергия связи. Для приближенной оценки длины ковалентной связи в молекуле можно использовать формулу

 

, (3)

 

где , - межъядерные расстояния в молекулах А2 и В2. Половина межъядерного расстояния в простой двухатомной молекуле называется ковалентным радиусом атомаrА.

Для веществ, находящихся в кристаллическом состоянии, принято говорить о константе решетки K . Константа решетки - это расстояние между центрами двух соседних структурных частиц в кристалле. В ионном кристалле константа решетки равна сумме эффективных радиусов ионов.

Угол между воображаемыми прямыми, проходящими через ядра химически связанных атомов, называется углом связи или валентным углом. Его определяют с учетом гибридизации центрального атома в молекуле.

§ 2. Ковалентная связь и ее свойства

Ковалентная связь (КС) – тип связи, который возникает при обобществлении электронов взаимодействующих атомов. Для описания такого вида связи используют метод валентных связей (МВС) и метод молекулярных орбиталей (ММО).

МВС (иначе метод локализованных электронных пар) основан на следующих положениях:

1. КС образуется двумя атомами за счет перекрывания двух электронных облаков с антипараллельными спинами;

2. Связь располагается в том направлении, в котором будет обеспечиваться наибольшая область перекрывания АО;

3. КС тем прочнее, чем больше область АО.

КС может возникнуть:

1. По обменному механизму за счет объединения одноэлектронных АО внешнего энергетического уровня по одному со стороны каждого атома:

Число одноэлектронных АО может увеличиваться при переходе атома в возбужденное состояние;

2. По донорно-акцепторному механизму за счет объединения пары электронов одного атома (донора) и свободной АО другого атома (акцептора):

Основными свойствами КС являются насыщаемость, направленность и полярность. Общее число КС, которое способен образовать атом, ограничено числом его АО (свободных и занятых), использование которых энергетически выгодно. Для элементов первого и второго периодов энергетически выгодно использование АО только внешнего энергетического уровня. Начиная с третьего и далее периодов кроме s– и p–орбиталей внешнего уровня в образовании КС могут участвовать d–орбитали внешнего и предвнешнего энергетических уровней. Таким образом, максимальное число КС у каждого атома ограничено его валентными возможностями, то есть связь насыщаема.

Для обеспечения наиболее полного перекрывания электронных облаков взаимодействующие атомы вынуждены располагаться в пространстве относительно друг друга определенным образом – направленно. По типу перекрывания (направленности) различают:

1. s-связь – перекрывание АО происходит вдоль оси, соединяющей ядра взаимодействующих атомов, что приводит к возникновению только одной области перекрывания. К образованию такого вида связи способны электронные облака любой формы. Например, sр-р перекрывание образуется таким образом:

2. p-связь – перекрывание АО происходит по обе стороны от оси, соединяющей ядра взаимодействующих атомов, что приводит к возникновению двух областей перекрывания. Например, pр-р перекрывание:

 

К образованию такого вида связи не способны s-электронные облака;

3. d-связь – перекрывание двух d-орбиталей, находящихся в параллельных плоскостях, с образованием четырех областей перекрывания.

Возникновение p- и d-связей происходит только в том случае, когда взаимодействующие атомы уже связаны s-связью. Наложение p- и d-связей на s-связь приводит к повышению кратности связи (иначе порядка связи n), то есть к уменьшению межъядерного расстояния.

Например, в молекуле N2 между атомами азота связь тройная (NºN) – одна sи две p.

Направленность КС придает многоатомным частицам определенную форму – конфигурацию, от которой с учетом гибридизации АО зависит внутренняя структура вещества.


§ 3. Гибридизация атомных орбиталей

Гибридизацией АО называют процесс смешения нескольких различных по форме и энергии АО данного атома, который сопровождается образованием такого же числа новых, одинаковых по форме и энергии гибридных АО, располагающихся в пространстве относительно друг друга таким образом, чтобы обеспечить более полное перекрывание с АО соседних атомов в частице.

В процессе гибридизации могут участвовать как одноэлектронные АО, так и АО занятые спаренными электронами. Одноэлектронные гибридные АО способны образовать связи с другими атомами и определяют тем самым геометрическую форму молекулы или иона, поэтому их называют связывающими. Двухэлектронные гибридные АО обычно не участвуют в образовании связей (исключение – донорно-акцепторный механизм), называются несвязывающими (при записи формулы молекулы их обозначают Ё) и не учитываются при выявлении геометрической формы образовавшейся частицы. В табл.5 приведены наиболее распространенные виды гибридизаций АО и формы молекул, которые им соответствуют.

Таблица 5

 

Тип гибридизации Расположение гибридных АО Угол между связями Количе-ство Ё Геометрическая форма и состав молекулы Пример
sp Линейное 180° Линейная АВ2 BeCl2
sd Линейное 90° Угловая АВ2 SrCl2
sp2 или sd2 Треугольное 120° уменьшается Треугольник АВ3 Угловая АВ2Ё BF3 SnCl2
sp3 или sd3 Тетраэд-рическое 109°28/ уменьшается   уменьшается   Тетраэдр АВ4 Тригональная пирамида АВ3Ё Угловая АВ2Ё2 CH4 NF3   H2O
sp3d Тригонально-бипирами-дальное 90° и 120°   ______   180° и 90° 180°     Тригональная бипирамида АВ5 Неправильный тетраэдр АВ4Ё Т-образная АВ3Ё2 Линейная АВ2Ё3 PCl5   SF4   ClF3 XeF2
sp3d2 Октаэдри-ческое 90° 90°   90°   Октаэдр АВ6 Тригональная пирамида АВ5Ё Квадрат АВ4Ё2 SF6 SbF XeF4
sp3d3 или sp3d2f Пентагональ-но-бипирами-дальное ____   ____   Пентагональная пирамида АВ7 Неправильный октаэдр АВ6Ё IF7   XeF6