Тема 4 Химическая связь

Химическая связь – это взаимное сцепление атомов в молекуле в результате перекрывания их электронных облаков. Образованию химической связи может предшествоватьгибридизация АО: преобразование различающиеся по форме и энергии АО разных подуровней в такое же количество гибридных молекулярных орбиталей. Гибридные орбитали имеют одинаковую энергию и форму, что обеспечивает равноценность образующихся связей. Гибридные орбитали более вытянуты в направлении образования химической связи и обеспечивают лучшее перекрывание с орбиталями присоединяющегося атома, чем негибридизованные. В гибридизации могут участвовать и d-орбитали внешнего или предвнешнего квантового уровня. Тип гибридизации АО центрального атома определяет геометрическую форму образующихся молекул или ионов.

Таблица 4

Форма молекул и тип гибридизации центрального атома

Гибридизация центрального атома	Геометрическая форма молекулы или иона	Угол между связями	Пример молекулы или иона
sp	Линейная	180°	BeF2, CH≡CH, [Ag(NH3)2]+
p2	Угловая	90°	H2S, TeCl2
sp3	Угловая	~109,5°	H2O
sp2	Плоский треугольник	120°	BF3, CO32–
sp2	Плоский прямоугольник	120°	CH2=CH2
sp3	Тетраэдр	109,5°	CH4, NH4+
d 3s	Тетраэдр	109,5°	TiCL4
sp3	Тригональная пирамида	~109,5°	NH3, Н3О+, SО32–
sp3d	Тригональная бипирамида	90°, 120°	PCl5,
sp3d2	Октаэдр	90°	SF6, [АlF6]33–
d2sp3	Октаэдр	90°	[Fе(СN)6]4–
dsp2	Плоский квадрат	90°	[PdСl4]2–

Рассмотрим образование молекул с разным типом гибридизации центрального атома.

При образовании молекулы ВеF₂ атом бериллия переходит в возбужденное состояние и имеет два неспаренных электрона один на 2s- и один на 2р-орбитали. Гибридизация этих АО приводит к образованию двух sp-гибридных молекулярных орбиталей, расположеных в молекуле под углом 180°, поскольку в таком случае электроны на этих орбиталях испытывают наименьшее взаимное отталкивание. В результате молекула ВF₂ имеет линейное строение. Молекула неполярна. В молекуле две равноценные σ-связи Be–F, π-связей нет. Связи полярны, электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому F. На рисунке для атомов F показаны только 2р-электроны, образующие связи.

а)

б)

F Be F

Рисунок 2 Молекула BeF: а) sp-гибридизация АО бериллия и образование двух σ-связей; б) пространственное строение молекулы

При образовании молекулы ВF₃ три неспаренных электрона атома бора в возбужденном состоянии расположены на АО 2s, 2р_х, 2р_z. В результате гибридизации образуются три гибридные sp²-орбитали. Для достижения минимального отталкивания гибридные орбитали направлены в углы правильного треугольника, углы между орбиталями равны 120°. В результате молекула ВF₃  имеет форму плоского треугольника, ядро атома бора располагается в центре. Молекула ВF₃ неполярна. В молекуле три σ-связи, все связи равноценны, π-связей нет. Связи полярны, электронная плотность смещена в строну атома F.

б)

в)

Рисунок 3 Молекула ВF₃: а) гибридизация АО бора и образование трех σ-связей; б) ориентация в пространстве исходных атомных 2s-, 2р_x- и 2р_z-орбиталей; в) ориентация в пространстве гибридных sp²-орбиталей

При образовании связей атомами C, N, О и Cl в гибридизации участвуют одна s-орбиталь и три p-орбитали, во всех случаях образуются четыре sp³-гибридные орбитали, направленные в пространстве от ядра к углам тетраэдра. Углы между орбиталями во всех случаях близки к 109°, однако форма молекул, образуемых этими атомами различны.

В молекуле метана СН₄ четыре σ-связи, π-связей нет, связи полярны, электронная плотность смещена к атому С. Форма молекулы тетраэдрическая, молекула неполярна, угол между орбиталями равен 109,46°.

а)

б)

Рисунок 4 Молекула СН₄: а) гибридизация АО углерода и образование четырех σ-связей; б) ориентация в пространстве гибридных sp³-орбиталей

В

+

молекуле аммиака NH₃ на одной из четырех sp³-гибридных орбиталей азота располагается два спаренных электрона (неподеленная пара электронов), т.е. в молекуле образуется только три σ-связи, π-связей нет. Молекула NH₃ имеет форму тригональной пирамиды, в вершине пирамиды – атом азота. Угол между орбиталями составляет 107,8° и отличается от тетраэдрического (109,5°) вследствие более сильного взаимного отталкивания неподеленных электронных пар по сравнению с электронами σ-связи N–Н. Молекула полярна, на атоме азота локализуется частичный отрицательный заряд. Ион аммония NH₄⁺ имеет тетраэдрическое строение.

NH₃ NH₄⁺

тригональная пирамида тетраэдр

а)

б)

Рисунок 5 Молекула NH₃: а) гибридизация АО азота, образование гибридных sp³-орбиталей и трех σ-связей; б) пространственное строение молекулы NH₃ и иона NH₄⁺

В молекуле воды Н₂О на двух sp³-гибридных орбиталях кислорода располагается неподеленные пары электронов. В молекуле две σ-связи, π-связей нет. Вследствие отталкивания неподеленных электронных пар, угол между связями О–Н отклоняется от тетраэдрического и составляет 104,5°.

б)

а)

Рисунок 6 Молекула H₂О: а) гибридизация АО кислорода, образование гибридных sp³-орбиталей и двух σ-связей; б) пространственное строение молекулы H₂О.

При образовании комплексного иона [АlF₆]₃^3– в гибридизации участвуют вакантные 3d-орбитали алюминия и образуется шесть гибридных sp³d²-орбиталей, направленных к углам октаэдра. Форма иона октаэдрическая, число σ-связей шесть, угол между связями 90°, π-связей нет.

Рисунок 7 Образование иона [АlF₆]₃^3– и ориентация sp³d²-гибридных орбиталей

Комплекс [Fе(СN)₆]^4– тоже имеет октаэдрическую форму, хотя гибридизация d²sp³-типа. Гибридизация с участием d-орбиталей приводит также к квадратной и тетраэдрической формам молекул и ионов.

Задание 4 контрольной работы

Определить пространственную структуру молекулы, тип гибридизации центрального атома (если есть), число σ- и π-связей, полярность связей и полярность молекулы в целом.

Вариант	Молекула	Вариант	Молекула	Вариант	Молекула
91	H2O	101	AsH3	111	CO2
92	PH3	102	[PtСl4]2–	112	BeI2
93	Cl2	103	BeBr2	113	SO2
94	CO32–	104	SCl6	114	H2Te
95	NH3	105	N2	115	HI
96	CF4	106	SiH4	116	I2
97	C2H2	107	BCl3	117	[АlF6]33–
98	SiF4	108	H2Se	118	CCl4
99	OF2	109	HBr	119	AlCl3
100	TiCl4	110	C2H4	120	COCl2