Βασικές έννοιες της οργανικής χημείας. Παραγωγή μικτών γενών

Ένα πολυατομικό μόριο με την εμφάνιση πανομοιότυπων τροχιακών που είναι ισοδύναμα ως προς τα χαρακτηριστικά τους.

Εγκυκλοπαιδικό YouTube

1 / 3

Υβριδισμός τροχιακών ηλεκτρονίων

Κυτολογία. Διάλεξη 46. Τροχιακός υβριδισμός

Υβριδικά τροχιακά sp3

Υπότιτλοι

Έννοια υβριδισμού

Έννοια υβριδισμού ατομικών τροχιακών σθένουςπροτάθηκε από τον Αμερικανό χημικό Linus Pauling για να απαντήσει στο ερώτημα γιατί, εάν το κεντρικό άτομο έχει διαφορετικά τροχιακά σθένους (s, p, d), οι δεσμοί που σχηματίζονται από αυτό σε πολυατομικά μόρια με τους ίδιους συνδέτες αποδεικνύονται ισοδύναμοι στην ενέργειά τους και χωροταξικά χαρακτηριστικά.

Οι ιδέες για τον υβριδισμό κατέχουν κεντρική θέση στη μέθοδο των δεσμών σθένους. Η ίδια η υβριδοποίηση δεν είναι μια πραγματική φυσική διαδικασία, αλλά μόνο βολικό μοντέλο, το οποίο καθιστά δυνατή την εξήγηση της ηλεκτρονικής δομής των μορίων, ιδίως τις υποθετικές τροποποιήσεις των ατομικών τροχιακών κατά το σχηματισμό ενός ομοιοπολικού χημικού δεσμού, ειδικότερα, την ευθυγράμμιση των μηκών των χημικών δεσμών και των γωνιών του δεσμού στο μόριο.

Η έννοια του υβριδισμού εφαρμόστηκε με επιτυχία στην ποιοτική περιγραφή απλών μορίων, αλλά αργότερα επεκτάθηκε σε πιο σύνθετα. Σε αντίθεση με τη θεωρία των μοριακών τροχιακών, δεν είναι αυστηρά ποσοτική, για παράδειγμα, δεν είναι σε θέση να προβλέψει τα φάσματα φωτοηλεκτρονίων ακόμη και τέτοιων απλών μορίων όπως το νερό. Επί του παρόντος χρησιμοποιείται κυρίως για μεθοδολογικούς σκοπούς και στη συνθετική οργανική χημεία.

Αυτή η αρχή αντανακλάται στη θεωρία Gillespie-Nyholm για την απώθηση των ζευγών ηλεκτρονίων, την πρώτη και την πιο σημαντικός κανόναςπου διατυπώθηκε ως εξής:

Ο δεύτερος κανόνας ήταν αυτός «Όλα τα ζεύγη ηλεκτρονίων που περιλαμβάνονται στο κέλυφος ηλεκτρονίων σθένους θεωρούνται ότι βρίσκονται στην ίδια απόσταση από τον πυρήνα».

Τύποι υβριδισμού

sp-Υβριδισμός

Εμφανίζεται όταν αναμειγνύονται ένα s- και ένα p-τροχιακό. Σχηματίζονται δύο ισοδύναμα sp-ατομικά τροχιακά, που βρίσκονται γραμμικά σε γωνία 180 μοιρών και κατευθύνονται σε διαφορετικές πλευρέςαπό τον πυρήνα του κεντρικού ατόμου. Τα δύο εναπομείναντα μη υβριδικά p-τροχιακά βρίσκονται σε αμοιβαία κάθετα επίπεδα και συμμετέχουν στο σχηματισμό δεσμών π ή καταλαμβάνουν μη κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων.

sp 2 -Υβριδισμός

Εμφανίζεται όταν αναμιγνύονται ένα s και δύο p τροχιακά. Τρία υβριδικά τροχιακά σχηματίζονται με άξονες που βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο και κατευθύνονται προς τις κορυφές του τριγώνου υπό γωνία 120 μοιρών. Το μη υβριδικό p-ατομικό τροχιακό είναι κάθετο στο επίπεδο και, κατά κανόνα, εμπλέκεται στο σχηματισμό π δεσμών

sp 3 -Υβριδισμός

Εμφανίζεται όταν ένα s- και τρία p-τροχιακά αναμειγνύονται, σχηματίζοντας τέσσερα sp 3 υβριδικά τροχιακά ίσου σχήματος και ενέργειας. Μπορούν να σχηματίσουν τέσσερις δεσμούς σ με άλλα άτομα ή να γεμίσουν με μεμονωμένα ζεύγη ηλεκτρονίων.

Οι άξονες των υβριδικών τροχιακών sp 3 κατευθύνονται προς τις κορυφές του τετραέδρου, ενώ ο πυρήνας του κεντρικού ατόμου βρίσκεται στο κέντρο της περιγεγραμμένης σφαίρας αυτού του τετραέδρου. Η γωνία μεταξύ οποιωνδήποτε δύο αξόνων είναι περίπου 109°28", που αντιστοιχεί στη χαμηλότερη ενέργεια απώθησης ηλεκτρονίων. Επίσης, τα τροχιακά sp 3 μπορούν να σχηματίσουν τέσσερις δεσμούς σ με άλλα άτομα ή να γεμίσουν με μεμονωμένα ζεύγη ηλεκτρονίων. Αυτή η κατάσταση είναι χαρακτηριστική για τον άνθρακα άτομα σε κορεσμένους υδρογονάνθρακες και, κατά συνέπεια, σε ρίζες αλκυλίου και στα παράγωγά τους.

Υβριδισμός και μοριακή γεωμετρία

Η έννοια του υβριδισμού των ατομικών τροχιακών βρίσκεται στη βάση της θεωρίας Gillespie-Nyholm για την απώθηση των ζευγών ηλεκτρονίων. Κάθε τύπος υβριδισμού αντιστοιχεί σε έναν αυστηρά καθορισμένο χωρικό προσανατολισμό των υβριδικών τροχιακών του κεντρικού ατόμου, ο οποίος του επιτρέπει να χρησιμοποιηθεί ως βάση για στερεοχημικές έννοιες στην ανόργανη χημεία.

Ο πίνακας δείχνει παραδείγματα αντιστοιχίας μεταξύ των πιο κοινών τύπων υβριδισμού και της γεωμετρικής δομής των μορίων, με την υπόθεση ότι όλα τα υβριδικά τροχιακά εμπλέκονται στο σχηματισμό χημικών δεσμών (δεν υπάρχουν ζεύγη μεμονωμένων ηλεκτρονίων).

Ακούμε πολλά για τα υβρίδια. Οι ταινίες και τα βιβλία μιλούν γι' αυτά, και η επιστήμη τα εξετάζει επίσης. Στις δύο πρώτες πηγές, τα υβρίδια είναι πολύ επικίνδυνα πλάσματα. Μπορούν να φέρουν πολύ κακό. Αλλά ο υβριδισμός δεν είναι πάντα κακό. Αρκετά συχνά είναι καλό.

Παράδειγμα υβριδισμού είναι κάθε άτομο. Είμαστε όλοι υβρίδια δύο ανθρώπων – πατέρα και μητέρας. Έτσι, η σύντηξη ενός ωαρίου και ενός σπέρματος είναι επίσης ένα είδος υβριδισμού. Αυτός ο μηχανισμός είναι που επιτρέπει στην εξέλιξη να προχωρήσει. Σε αυτή την περίπτωση, εμφανίζεται και υβριδισμός με αρνητικό πρόσημο. ας σκεφτούμε αυτό το φαινόμενογενικά.

Γενική ιδέα του υβριδισμού

Ωστόσο, δεν περιλαμβάνει μόνο η βιολογία αυτή η έννοια. Και ας εξετάσει η εισαγωγή ένα παράδειγμα με τα υβρίδια ως πλήρη άτομα ενός ακατανόητου βιολογικού είδους. Επιπλέον, αυτή η έννοια μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε άλλες επιστήμες. Και η έννοια αυτού του όρου θα είναι ελαφρώς διαφορετική. Αλλά την ίδια στιγμή, υπάρχει ακόμα κάτι κοινό. Αυτή είναι η λέξη "ένωση", η οποία συνδυάζει όλες τις πιθανές έννοιες αυτού του όρου.

Πού υπάρχει αυτή η έννοια;

Ο όρος «υβριδισμός» χρησιμοποιείται σε πολλές επιστήμες. Και δεδομένου ότι οι περισσότεροι από τους υπάρχοντες κλάδους αλληλεπικαλύπτονται, μπορούμε με ασφάλεια να μιλήσουμε για τη χρήση κάθε έννοιας αυτού του όρου σε οποιαδήποτε επιστήμη, με τον ένα ή τον άλλο τρόπο που σχετίζεται με πεδία φυσικής έρευνας. Ταυτόχρονα, αυτός ο όρος χρησιμοποιείται πιο ενεργά σε:

1. Βιολογία. Από εδώ προέρχεται η έννοια του υβριδικού. Αν και, όπως πάντα, όταν μετακινούμαστε από την επιστήμη στο καθημερινή ζωήυπήρξε κάποια παραποίηση των γεγονότων. Με τον όρο υβρίδιο εννοούμε ένα άτομο που προκύπτει από τη διασταύρωση δύο άλλων ειδών. Αν και αυτό δεν συμβαίνει πάντα.
2. Χημεία. Αυτή η έννοια σημαίνει την ανάμειξη πολλών τροχιακών - μοναδικών μονοπατιών κίνησης ηλεκτρονίων.
3. Βιοχημεία. Εδώ κεντρική ιδέαείναι ο υβριδισμός του DNA.

Όπως μπορείτε να δείτε, το τρίτο σημείο βρίσκεται στη διασταύρωση δύο επιστημών. Και αυτό είναι απολύτως φυσιολογική πρακτική. Ένας και ο ίδιος όρος μπορεί να σχηματίσει μια εντελώς διαφορετική έννοια στη συμβολή δύο επιστημών. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στην έννοια του υβριδισμού σε αυτές τις επιστήμες.

Τι είναι ένα υβρίδιο;

Ένα υβρίδιο είναι ένα πλάσμα που δημιουργείται μέσω της διαδικασίας του υβριδισμού. Αυτή η έννοια σχετίζεται με τη βιολογία. Τα υβρίδια μπορούν να ληφθούν είτε κατά λάθος είτε επίτηδες. Στην πρώτη περίπτωση, αυτά μπορεί να είναι ζώα που δημιουργούνται στη διαδικασία ζευγαρώματος δύο διαφορετικών ειδών πλασμάτων.

Για παράδειγμα, μιλούν για γάτες και σκύλους που έχουν παιδιά που δεν είναι κανένα από τα δύο. Μερικές φορές τα υβρίδια δημιουργούνται επίτηδες. Για παράδειγμα, όταν ένα κεράσι προσκολλάται σε ένα βερίκοκο, έχουμε να κάνουμε με έναν ειδικό υβριδισμό.

Υβριδισμός στη βιολογία

Η βιολογία είναι μια ενδιαφέρουσα επιστήμη. Και η έννοια του υβριδισμού δεν είναι λιγότερο συναρπαστική. Αυτός ο όρος αναφέρεται στον συνδυασμό γενετικού υλικού από διαφορετικά κύτταρα σε ένα. Αυτοί μπορεί να είναι εκπρόσωποι ενός ή περισσότερων ειδών. Κατά συνέπεια, υπάρχει μια διαίρεση σε τέτοιους τύπους υβριδισμού.

• Ενδοειδικός υβριδισμός. Αυτό συμβαίνει όταν δύο άτομα του ίδιου είδους δημιουργούν έναν απόγονο. Ένα παράδειγμα ενδοειδικού υβριδισμού είναι οι άνθρωποι. Λήφθηκε μέσω της διαδικασίας σύντηξης γεννητικών κυττάρων εκπροσώπων ενός βιολογικού είδους.
• Διαειδικός υβριδισμός. Αυτό συμβαίνει όταν διασταυρώνονται παρόμοια, αλλά που ανήκουν σε διαφορετικά είδη, ζώα. Για παράδειγμα, ένα υβρίδιο αλόγου και ζέβρας.
• Απομακρυσμένος υβριδισμός. Αυτό συμβαίνει όταν εκπρόσωποι τουλάχιστον του ίδιου είδους διασταυρώνονται, αλλά δεν ενώνονται με οικογενειακούς δεσμούς.

Κάθε μία από αυτές τις ποικιλίες βοηθά όχι μόνο την εξέλιξη. Οι επιστήμονες προσπαθούν επίσης ενεργά να διασταυρωθούν ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙΖωντανά πλάσματα. Λειτουργεί καλύτερα με φυτά. Υπάρχουν διάφοροι λόγοι για αυτό:

• Διαφορετικός αριθμός χρωμοσωμάτων. Κάθε είδος δεν έχει μόνο έναν συγκεκριμένο αριθμό χρωμοσωμάτων, αλλά και ένα σύνολο από αυτά. Όλα αυτά παρεμποδίζουν την αναπαραγωγή των απογόνων.
• Μόνο υβριδικά φυτά μπορούν να αναπαραχθούν. Και αυτό δεν συμβαίνει πάντα.
• Μόνο τα φυτά μπορούν να είναι πολυπλοειδή. Για να αναπαραχθεί ένα φυτό πρέπει να γίνει πολυπλοειδές. Στην περίπτωση των ζώων, πρόκειται για βέβαιο θάνατο.
• Δυνατότητα βλαστικής υβριδοποίησης. Είναι πολύ απλό και βολικό τρόποδημιουργώντας υβρίδια πολλών φυτών.

Αυτοί είναι οι λόγοι για τους οποίους η διασταύρωση δύο φυτών είναι πολύ πιο εύκολη και αποτελεσματική. Στην περίπτωση των ζώων, μπορεί να είναι δυνατό να επιτευχθεί η δυνατότητα αναπαραγωγής στο μέλλον. Αλλά επάνω αυτή τη στιγμήΗ επίσημη άποψη στη βιολογία είναι ότι τα υβριδικά ζώα χάνουν την ικανότητα αναπαραγωγής, αφού αυτά τα άτομα είναι γενετικά ασταθή. Επομένως, είναι άγνωστο σε τι μπορεί να οδηγήσει η αναπαραγωγή τους.

Τύποι υβριδισμού στη βιολογία

Η βιολογία είναι μια αρκετά ευρεία επιστήμη στην εξειδίκευσή της. Υπάρχουν δύο τύποι υβριδισμού που παρέχει:

1. Γενετική. Αυτό συμβαίνει όταν δύο κύτταρα γίνονται ένα με ένα μοναδικό σύνολο χρωμοσωμάτων.
2. Βιοχημική. Ένα παράδειγμα αυτού του τύπου είναι ο υβριδισμός DNA. Αυτό συμβαίνει όταν τα συμπληρωματικά νουκλεϊκά οξέα συνδυάζονται για να σχηματίσουν ένα DNA.

Μπορεί να χωριστεί σε μεγάλη ποσότηταποικιλίες. Αλλά το κάναμε αυτό στην προηγούμενη υποενότητα. Έτσι, ο απομακρυσμένος και ενδοειδικός υβριδισμός είναι συστατικά του πρώτου τύπου. Και εκεί η ταξινόμηση επεκτείνεται ακόμη περισσότερο.

Η έννοια του φυτικού υβριδισμού

Ο φυτικός υβριδισμός είναι μια έννοια στη βιολογία που σημαίνει έναν τύπο διασταύρωσης δύο φυτών κατά την οποία μέρος ενός είδους ριζώνει σε ένα άλλο. Δηλαδή, ο υβριδισμός συμβαίνει λόγω του συνδυασμού δύο διαφορετικά μέρησώμα. Ναι, έτσι μπορείς να χαρακτηρίσεις το φυτό. Άλλωστε έχει κι αυτός τα δικά του όργανα, ενωμένα σε ένα ολόκληρο σύστημα. Επομένως, αν ονομάσετε ένα φυτό οργανισμό, δεν υπάρχει τίποτα κακό σε αυτό.

Ο φυτικός υβριδισμός έχει μια σειρά από πλεονεκτήματα. Αυτό:

• Ευκολία.
• Απλότητα.
• Αποδοτικότητα.
• Πρακτικότητα.

Αυτά τα πλεονεκτήματα κάνουν αυτό το είδος διασταύρωσης πολύ δημοφιλές στους κηπουρούς. Υπάρχει επίσης κάτι όπως ο σωματικός υβριδισμός. Αυτό συμβαίνει όταν δεν διασταυρώνονται γεννητικά κύτταρα, αλλά σωματικά κύτταρα, ή μάλλον, οι πρωτοπλάστες τους. Αυτή η μέθοδος διασταύρωσης πραγματοποιείται όταν είναι αδύνατο να δημιουργηθεί ένα υβρίδιο με τυπικά σεξουαλικά μέσα μεταξύ πολλών φυτών.

Υβριδισμός στη χημεία

Αλλά τώρα θα κάνουμε λίγο πίσω από τη βιολογία και θα μιλήσουμε για μια άλλη επιστήμη. Η χημεία έχει τη δική της έννοια, ονομάζεται «υβριδισμός ατομικών τροχιακών». Αυτός είναι ένας πολύ περίπλοκος όρος, αλλά αν καταλαβαίνετε λίγη χημεία, τότε δεν υπάρχει τίποτα περίπλοκο σε αυτό. Πρώτα πρέπει να εξηγήσουμε τι είναι τροχιακό.

Αυτό είναι ένα είδος διαδρομής κατά μήκος του οποίου κινείται το ηλεκτρόνιο. Αυτό μας έμαθαν στο σχολείο. Και αν συμβεί ότι αυτά τα τροχιακά ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙαναμεμειγμένο, λαμβάνεται ένα υβρίδιο. Υπάρχουν τρεις τύποι φαινομένων που ονομάζονται «τροχιακός υβριδισμός». Αυτές είναι οι ακόλουθες ποικιλίες:

• sp υβριδισμός - το ένα s και το άλλο p τροχιακό.
• Υβριδισμός sp 2 - ένα s και δύο p τροχιακά.
• Υβριδισμός sp 3 - ένα s και τρία τροχιακά p συνδυάζονται.

Αυτό το θέμα είναι αρκετά περίπλοκο στη μελέτη και πρέπει να λαμβάνεται υπόψη αναπόσπαστα από την υπόλοιπη θεωρία. Επιπλέον, η έννοια του τροχιακού υβριδισμού αφορά περισσότερο το τέλος αυτού του θέματος παρά την αρχή. Σε τελική ανάλυση, πρέπει να μελετήσετε την ίδια την έννοια των τροχιακών, τι είναι και ούτω καθεξής.

συμπεράσματα

Έτσι, καταλάβαμε την έννοια της έννοιας του «υβριδισμού». Αυτό αποδεικνύεται αρκετά ενδιαφέρον. Για πολλούς ήταν μια ανακάλυψη ότι η χημεία έχει επίσης αυτή την έννοια. Αλλά αν τέτοιοι άνθρωποι δεν το γνώριζαν αυτό, τότε τι θα μπορούσαν να μάθουν; Και έτσι, υπάρχει ανάπτυξη. Είναι σημαντικό να μην σταματήσετε να εκπαιδεύετε την πολυμάθειά σας, καθώς αυτό σίγουρα θα σας χαρακτηρίσει από την καλή πλευρά.

Το 1930, οι Slater και L. Pauling ανέπτυξαν τη θεωρία του σχηματισμού ομοιοπολικών δεσμών λόγω της επικάλυψης ηλεκτρονικών τροχιακών - τη μέθοδο του δεσμού σθένους. Αυτή η μέθοδος βασίζεται στη μέθοδο υβριδισμού, η οποία περιγράφει το σχηματισμό μορίων ουσιών λόγω της «ανάμιξης» υβριδικών τροχιακών («δεν αναμειγνύονται τα ηλεκτρόνια, αλλά τα τροχιακά»).

ΟΡΙΣΜΟΣ

Παραγωγή μικτών γενών– ανάμειξη τροχιακών και ευθυγράμμιση του σχήματος και της ενέργειας τους. Έτσι, όταν αναμιγνύουμε s- και p-τροχιακά, λαμβάνουμε τον τύπο υβριδισμού των sp, s- και 2 p-τροχιακών - sp 2, s- και 3 p-τροχιακών - sp 3. Υπάρχουν άλλοι τύποι υβριδισμού, για παράδειγμα, sp 3 d, sp 3 d 2 και πιο σύνθετοι.

Προσδιορισμός του τύπου υβριδισμού μορίων με ομοιοπολικό δεσμό

Ο τύπος υβριδισμού μπορεί να προσδιοριστεί μόνο για μόρια με ομοιοπολικό δεσμό τύπου AB n, όπου το n είναι μεγαλύτερο ή ίσο με δύο, το Α είναι το κεντρικό άτομο, το Β είναι ο συνδέτης. Μόνο τα τροχιακά σθένους του κεντρικού ατόμου υφίστανται υβριδισμό.

Ας προσδιορίσουμε τον τύπο του υβριδισμού χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του μορίου BeH 2.

Αρχικά, καταγράφουμε τις ηλεκτρονικές διαμορφώσεις του κεντρικού ατόμου και του συνδέτη και σχεδιάζουμε γραφικούς τύπους ηλεκτρονίων.

Το άτομο βηρυλλίου (κεντρικό άτομο) έχει κενά τροχιακά 2p, επομένως, για να δεχτεί ένα ηλεκτρόνιο από κάθε άτομο υδρογόνου (συνδέτης) για να σχηματίσει ένα μόριο BeH 2, πρέπει να περάσει σε μια διεγερμένη κατάσταση:

Ο σχηματισμός του μορίου BeH 2 συμβαίνει λόγω της επικάλυψης των τροχιακών σθένους του ατόμου Be

* Τα ηλεκτρόνια του υδρογόνου σημειώνονται με κόκκινο και τα ηλεκτρόνια του βηρυλλίου με μαύρο.

Ο τύπος του υβριδισμού καθορίζεται από το ποια τροχιακά επικαλύπτονται, δηλ. το μόριο BeH 2 βρίσκεται σε sp - υβριδισμό.

Εκτός από τα μόρια της σύνθεσης AB n, η μέθοδος των δεσμών σθένους μπορεί να καθορίσει τον τύπο υβριδισμού μορίων με πολλαπλούς δεσμούς. Ας δούμε το παράδειγμα του μορίου του αιθυλενίου C 2 H 4 . Το μόριο αιθυλενίου έχει πολλαπλό διπλό δεσμό, ο οποίος σχηματίζεται από δεσμούς και –. Για να προσδιορίσουμε τον υβριδισμό, καταγράφουμε τις ηλεκτρονικές διαμορφώσεις και σχεδιάζουμε γραφικούς τύπους ηλεκτρονίων των ατόμων που αποτελούν το μόριο:

6 C 2s 2 2s 2 2p 2

Το άτομο άνθρακα έχει ένα ακόμη κενό p-τροχιακό, επομένως, για να δεχτεί 4 άτομα υδρογόνου πρέπει να περάσει σε διεγερμένη κατάσταση:

Απαιτείται ένα ρ-τροχιακό για να σχηματιστεί ένας -δεσμός (επισημασμένος με κόκκινο), αφού ο -δεσμός σχηματίζεται από επικαλυπτόμενα «καθαρά» (μη υβριδικά) ρ-τροχιακά. Τα υπόλοιπα τροχιακά σθένους περνούν σε υβριδισμό. Έτσι, το αιθυλένιο βρίσκεται σε υβριδισμό sp 2.

Προσδιορισμός της γεωμετρικής δομής των μορίων

Η γεωμετρική δομή των μορίων, καθώς και τα κατιόντα και τα ανιόντα της σύνθεσης AB n, μπορούν να προσδιοριστούν χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Gillespie. Αυτή η μέθοδος βασίζεται σε ζεύγη σθένους ηλεκτρονίων. Η γεωμετρική δομή επηρεάζεται όχι μόνο από τα ηλεκτρόνια που συμμετέχουν στο σχηματισμό ενός χημικού δεσμού, αλλά και από μεμονωμένα ζεύγη ηλεκτρονίων. Στη μέθοδο του Gillespie, κάθε μεμονωμένο ζεύγος ηλεκτρονίων ορίζεται ως Ε, το κεντρικό άτομο ορίζεται Α και ο συνδέτης ορίζεται Β.

Εάν δεν υπάρχουν μεμονωμένα ζεύγη ηλεκτρονίων, τότε η σύνθεση των μορίων μπορεί να είναι AB 2 ( γραμμική δομήμόρια), AB 3 (δομή επίπεδης τριγώνου), AB4 (τετραεδρική δομή), AB 5 (τριγωνική διπυραμιδική δομή) και AB 6 (οκταεδρική δομή). Τα παράγωγα μπορούν να ληφθούν από βασικές δομές εάν εμφανίζεται ένα μοναχικό ζεύγος ηλεκτρονίων αντί για έναν συνδέτη. Για παράδειγμα: AB 3 E (πυραμιδική δομή), AB 2 E 2 (γωνιακή δομή του μορίου).

Για να προσδιοριστεί η γεωμετρική δομή (δομή) ενός μορίου, είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί η σύνθεση του σωματιδίου, για το οποίο υπολογίζεται ο αριθμός των μονών ζευγών ηλεκτρονίων (LEP):

NEP = ( συνολικός αριθμόςηλεκτρόνια σθένους – ο αριθμός των ηλεκτρονίων που χρησιμοποιούνται για το σχηματισμό δεσμών με συνδέτες) / 2

Ο δεσμός με H, Cl, Br, I, F απαιτεί 1 ηλεκτρόνιο από το Α, ο δεσμός με το Ο παίρνει 2 ηλεκτρόνια και ο δεσμός με Ν παίρνει 3 ηλεκτρόνια από το κεντρικό άτομο.

Ας δούμε το παράδειγμα του μορίου BCl 3. Το κεντρικό άτομο είναι το Β.

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

NEP = (3-3)/2 = 0, επομένως δεν υπάρχουν μεμονωμένα ζεύγη ηλεκτρονίων και το μόριο έχει τη δομή AB 3 - ένα επίπεδο τρίγωνο.

Η λεπτομερής γεωμετρική δομή μορίων διαφορετικών συνθέσεων παρουσιάζεται στον Πίνακα. 1.

Πίνακας 1. Χωρική δομή μορίων

Παραδείγματα επίλυσης προβλημάτων

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 1

Υβριδισμός ατομικών τροχιακών και μοριακή γεωμετρία

Σημαντικό χαρακτηριστικόένα μόριο που αποτελείται από περισσότερα από δύο άτομα είναι του γεωμετρική διαμόρφωση.Καθορίζεται σχετική θέσηατομικά τροχιακά που συμμετέχουν στο σχηματισμό χημικών δεσμών.

Η επικάλυψη των νεφών ηλεκτρονίων είναι δυνατή μόνο με έναν συγκεκριμένο σχετικό προσανατολισμό των νεφών ηλεκτρονίων. Σε αυτή την περίπτωση, η περιοχή επικάλυψης βρίσκεται σε μια ορισμένη κατεύθυνση σε σχέση με τα αλληλεπιδρώντα άτομα.

Πίνακας 1 Υβριδισμός τροχιακών και χωρική διαμόρφωση μορίων

Ένα διεγερμένο άτομο βηρυλλίου έχει διαμόρφωση 2s 1 2p 1, ένα διεγερμένο άτομο βορίου έχει διαμόρφωση 2s 1 2p 2 και ένα διεγερμένο άτομο άνθρακα έχει διαμόρφωση 2s 1 2p 3. Επομένως, μπορούμε να υποθέσουμε ότι όχι τα ίδια, αλλά διαφορετικά ατομικά τροχιακά μπορούν να συμμετέχουν στο σχηματισμό χημικών δεσμών. Για παράδειγμα, σε ενώσεις όπως BeCl 2, BeCl 3, CCl 4 θα πρέπει να υπάρχουν δεσμοί άνισης ισχύος και κατεύθυνσης και οι δεσμοί σ από τα τροχιακά p πρέπει να είναι ισχυρότεροι από τους δεσμούς από τα τροχιακά s, επειδή για τα p-τροχιακά υπάρχουν πιο ευνοϊκές συνθήκες για επικάλυψη. Ωστόσο, η εμπειρία δείχνει ότι σε μόρια που περιέχουν κεντρικά άτομα με διαφορετικά τροχιακά σθένους (s, p, d), όλοι οι δεσμοί είναι ισοδύναμοι. Μια εξήγηση για αυτό δόθηκε από τους Slater και Pauling. Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι διαφορετικά τροχιακά, όχι πολύ διαφορετικά σε ενέργεια, σχηματίζουν έναν αντίστοιχο αριθμό υβριδικών τροχιακών. Τα υβριδικά (μικτά) τροχιακά σχηματίζονται από διαφορετικά ατομικά τροχιακά. Ο αριθμός των υβριδικών τροχιακών είναι ίσος με τον αριθμό των ατομικών τροχιακών που εμπλέκονται στον υβριδισμό. Τα υβριδικά τροχιακά είναι πανομοιότυπα ως προς το σχήμα και την ενέργεια του νέφους ηλεκτρονίων. Σε σύγκριση με τα ατομικά τροχιακά, είναι πιο επιμήκη προς την κατεύθυνση σχηματισμού χημικών δεσμών και επομένως παρέχουν καλύτερη επικάλυψη των νεφών ηλεκτρονίων.

Ο υβριδισμός των ατομικών τροχιακών απαιτεί ενέργεια, επομένως τα υβριδικά τροχιακά σε ένα απομονωμένο άτομο είναι ασταθή και τείνουν να μετατραπούν σε καθαρά AOs. Όταν σχηματίζονται χημικοί δεσμοί, τα υβριδικά τροχιακά σταθεροποιούνται. Λόγω των ισχυρότερων δεσμών που σχηματίζονται από τα υβριδικά τροχιακά, απελευθερώνεται περισσότερη ενέργεια από το σύστημα και επομένως το σύστημα γίνεται πιο σταθερό.

Ο sp-υβριδισμός συμβαίνει, για παράδειγμα, κατά τον σχηματισμό αλογονιδίων Be, Zn, Co και Hg (II). Στην κατάσταση σθένους, όλα τα αλογονίδια μετάλλων περιέχουν στο αντίστοιχο επίπεδο ενέργειας s και p ασύζευκτα ηλεκτρόνια. Όταν σχηματίζεται ένα μόριο, ένα s και ένα p τροχιακό σχηματίζουν δύο υβριδικά τροχιακά sp υπό γωνία 180 μοιρών.

Εικ.3 sp υβριδικά τροχιακά

Πειραματικά δεδομένα δείχνουν ότι τα αλογονίδια Be, Zn, Cd και Hg(II) είναι όλα γραμμικά και και οι δύο δεσμοί έχουν το ίδιο μήκος.

υβριδισμός sp 2

Ως αποτέλεσμα του υβριδισμού ενός s-τροχιακού και δύο p-τροχιακών σχηματίζονται τρία υβριδικά τροχιακά sp 2, που βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο σε γωνία 120 o μεταξύ τους. Αυτή είναι, για παράδειγμα, η διαμόρφωση του μορίου BF 3:

Εικ.4υβριδισμός sp 2

υβριδισμός sp 3

Ο υβριδισμός sp 3 είναι χαρακτηριστικός των ενώσεων άνθρακα. Ως αποτέλεσμα του υβριδισμού ενός s τροχιακού και τριών

p-τροχιακά, σχηματίζονται τέσσερα υβριδικά sp 3 τροχιακά, κατευθυνόμενα προς τις κορυφές του τετραέδρου με γωνία μεταξύ των τροχιακών 109,5 o. Ο υβριδισμός εκδηλώνεται στην πλήρη ισοδυναμία των δεσμών ενός ατόμου άνθρακα με άλλα άτομα σε ενώσεις, για παράδειγμα, σε CH 4, CCl 4, C(CH 3) 4 κ.λπ.

Εικ.5υβριδισμός sp 3

Εάν όλα τα υβριδικά τροχιακά συνδέονται με τα ίδια άτομα, τότε οι δεσμοί δεν διαφέρουν μεταξύ τους. Σε άλλες περιπτώσεις, παρατηρούνται μικρές αποκλίσεις από τις τυπικές γωνίες δεσμού. Για παράδειγμα, στο μόριο του νερού H 2 O, το οξυγόνο - sp 3 -υβρίδιο, βρίσκεται στο κέντρο ενός ακανόνιστου τετραέδρου, στις κορυφές του οποίου «βλέπουν» δύο άτομα υδρογόνου και δύο μεμονωμένα ζεύγη ηλεκτρονίων (Εικ. 2). . Το σχήμα του μορίου είναι γωνιακό όταν το βλέπουμε από τα κέντρα των ατόμων. Η γωνία δεσμού HOH είναι 105°, που είναι αρκετά κοντά στη θεωρητική τιμή των 109°.

Εικ.6 sp 3 - υβριδισμός ατόμων οξυγόνου και αζώτου σε μόρια α) H 2 O και β) NCl 3.

Εάν δεν υπήρχε υβριδισμός («ευθυγράμμιση» O-H δεσμοί), η γωνία δεσμού του HOH θα ήταν 90° επειδή τα άτομα υδρογόνου θα ήταν συνδεδεμένα σε δύο αμοιβαία κάθετα τροχιακά p. Σε αυτή την περίπτωση, ο κόσμος μας θα φαινόταν μάλλον εντελώς διαφορετικός.

Η θεωρία του υβριδισμού εξηγεί τη γεωμετρία του μορίου της αμμωνίας. Ως αποτέλεσμα του υβριδισμού των 2s και τριών 2p τροχιακών αζώτου, σχηματίζονται τέσσερα υβριδικά τροχιακά sp 3. Η διαμόρφωση του μορίου είναι ένα παραμορφωμένο τετράεδρο, στο οποίο τρία υβριδικά τροχιακά συμμετέχουν στο σχηματισμό ενός χημικού δεσμού, αλλά το τέταρτο με ένα ζεύγος ηλεκτρονίων όχι. Γωνίες μεταξύ Ν-Η δεσμοίόχι ίσο με 90° όπως σε μια πυραμίδα, αλλά ούτε ίσο με 109,5°, που αντιστοιχεί σε τετράεδρο.

Εικ.7 sp 3 - υβριδισμός σε μόριο αμμωνίας

Όταν η αμμωνία αλληλεπιδρά με ένα ιόν υδρογόνου, ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης δότη-δέκτη, σχηματίζεται ένα ιόν αμμωνίου, η διαμόρφωση του οποίου είναι ένα τετράεδρο.

Ο υβριδισμός εξηγεί επίσης τη διαφορά στη γωνία μεταξύ Συνδέσεις O-Hστο γωνιακό μόριο νερού. Ως αποτέλεσμα του υβριδισμού των τροχιακών 2s και τριών 2p τροχιακών οξυγόνου, σχηματίζονται τέσσερα υβριδικά τροχιακά sp 3, από τα οποία μόνο δύο εμπλέκονται στο σχηματισμό ενός χημικού δεσμού, ο οποίος οδηγεί σε παραμόρφωση της γωνίας που αντιστοιχεί στο τετράεδρο .

Εικ.8υβριδισμός sp 3 σε μόριο νερού

Ο υβριδισμός μπορεί να περιλαμβάνει όχι μόνο s- και p-τροχιακά, αλλά και d- και f-τροχιακά.

Με τον υβριδισμό sp 3 d 2 σχηματίζονται 6 ισοδύναμα νέφη. Παρατηρείται σε τέτοιες ενώσεις όπως 4-, 4-. Σε αυτή την περίπτωση, το μόριο έχει τη διαμόρφωση ενός οκταέδρου:

Ρύζι. 9 d 2 sp 3 -υβριδισμός σε ιόν 4-

Οι ιδέες για τον υβριδισμό καθιστούν δυνατή την κατανόηση τέτοιων δομικών χαρακτηριστικών των μορίων που δεν μπορούν να εξηγηθούν με άλλο τρόπο.

Ο υβριδισμός των ατομικών τροχιακών (ΑΟ) οδηγεί σε μετατόπιση του νέφους ηλεκτρονίων προς την κατεύθυνση σχηματισμού δεσμών με άλλα άτομα. Ως αποτέλεσμα, οι περιοχές επικάλυψης των υβριδικών τροχιακών αποδεικνύονται μεγαλύτερες από ό,τι για τα καθαρά τροχιακά και η αντοχή του δεσμού αυξάνεται.

υβριδισμός sp3

sp 3 -Παραγωγή μικτών γενών - υβριδισμός, στον οποίο ατομικά τροχιακά του ενός μικρό- και τρία Π-ηλεκτρόνια (Εικ. 1).

Ρύζι. 1. Εκπαίδευση sp 3-υβριδικά τροχιακά

Τέσσερα spΤα 3-υβριδικά τροχιακά είναι συμμετρικά προσανατολισμένα στο διάστημα σε γωνία 109°28" (Εικ. 2).

Μοντέλο ατόμου γ sp 3-υβριδικά τροχιακά

Χωρική διαμόρφωση ενός μορίου του οποίου το κεντρικό άτομο σχηματίζεται sp 3-υβριδικά τροχιακά - τετράεδρο

Τετραεδρική χωρική διαμόρφωση ενός μορίου του οποίου το κεντρικό άτομο σχηματίζεται sp 3-υβριδικά τροχιακά

τροχιακό άνθρακα ατόμου υβριδισμού

Παραδείγματα ενώσεων που χαρακτηρίζονται από sp 3-υβριδισμός: NH 3, POCl 3, SO 2 F 2, SOBr 2, NH 4+, H 3 O +. Επίσης, spΟ 3-υβριδισμός παρατηρείται σε όλους τους κορεσμένους υδρογονάνθρακες (αλκάνια, κυκλοαλκάνια) και άλλες οργανικές ενώσεις: CH 4, C 5 H 12, C 6 H 14, C 8 H 18 κ.λπ. Ο γενικός τύπος των αλκανίων είναι: C n H 2n +2. Ο γενικός τύπος των κυκλοαλκανίων είναι C n H 2n. Στους κορεσμένους υδρογονάνθρακες, όλοι οι χημικοί δεσμοί είναι απλοί, επομένως μεταξύ των υβριδικών τροχιακών αυτών των ενώσεων μόνο στο- επικάλυψη.

Σχηματίστε έναν χημικό δεσμό, δηλ. Μόνο μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια μπορούν να δημιουργήσουν ένα κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων με ένα «ξένο» ηλεκτρόνιο από άλλο άτομο. Κατά τη σύνταξη ηλεκτρονικών τύπων, τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια βρίσκονται ένα κάθε φορά σε ένα τροχιακό κύτταρο.

Ατομικό τροχιακόείναι μια συνάρτηση που περιγράφει την πυκνότητα του νέφους ηλεκτρονίων σε κάθε σημείο του χώρου γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου. Ένα νέφος ηλεκτρονίων είναι μια περιοχή του χώρου στην οποία ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να ανιχνευθεί με μεγάλη πιθανότητα.

Για έγκριση ηλεκτρονική δομήτο άτομο άνθρακα και το σθένος αυτού του στοιχείου χρησιμοποιούν την έννοια της διέγερσης του ατόμου άνθρακα. Στην κανονική (μη διεγερμένη) κατάσταση, το άτομο άνθρακα έχει δύο ασύζευκτα 2 R 2 ηλεκτρόνια. Σε διεγερμένη κατάσταση (όταν απορροφάται ενέργεια) ένα από τα 2 μικρό 2 ηλεκτρόνια μπορούν να πάνε ελεύθερα R-τροχιάς. Τότε τέσσερα ασύζευκτα ηλεκτρόνια εμφανίζονται στο άτομο άνθρακα:

Ας θυμηθούμε ότι στον ηλεκτρονικό τύπο ενός ατόμου (για παράδειγμα, για άνθρακα 6 C - 1 μικρό 2 2μικρό 2 2Π 2) μεγάλοι αριθμοί μπροστά από τα γράμματα - 1, 2 - δείχνουν τον αριθμό του ενεργειακού επιπέδου. Γράμματα μικρόΚαι Rυποδεικνύουν το σχήμα του νέφους ηλεκτρονίων (τροχιακό) και οι αριθμοί στα δεξιά πάνω από τα γράμματα δείχνουν τον αριθμό των ηλεκτρονίων σε ένα δεδομένο τροχιακό. Ολα μικρό- σφαιρικά τροχιακά

Στο δεύτερο ενεργειακό επίπεδο εκτός από το 2 μικρό-Υπάρχουν τρία τροχιακά 2 R-τροχιακά. Αυτά 2 R-Τα τροχιακά έχουν ελλειψοειδές σχήμα, παρόμοιο με τους αλτήρες, και προσανατολίζονται στο χώρο υπό γωνία 90° μεταξύ τους. 2 R-Τα τροχιακά δηλώνουν 2 R Χ , 2R yκαι 2 R zσύμφωνα με τους άξονες κατά μήκος των οποίων βρίσκονται αυτά τα τροχιακά.

Σχήμα και προσανατολισμός τροχιακών ηλεκτρονίων p

Όταν σχηματίζονται χημικοί δεσμοί, τα τροχιακά ηλεκτρονίων αποκτούν το ίδιο σχήμα. Έτσι, σε κορεσμένους υδρογονάνθρακες ένα μικρό-τροχιακό και τρία R- τροχιακά του ατόμου άνθρακα για να σχηματίσουν τέσσερα πανομοιότυπα (υβριδικά) sp 3-τροχιακά:

Αυτό - sp 3 -υβριδισμός.

Παραγωγή μικτών γενών- ευθυγράμμιση (ανάμιξη) ατομικών τροχιακών ( μικρόΚαι R) με το σχηματισμό νέων ατομικών τροχιακών που ονομάζονται υβριδικά τροχιακά.

Τέσσερα sp 3 -υβριδικά τροχιακά του ατόμου άνθρακα

Τα υβριδικά τροχιακά έχουν ασύμμετρο σχήμα, επιμήκη προς το συνδεδεμένο άτομο. Τα νέφη ηλεκτρονίων απωθούν το ένα το άλλο και βρίσκονται στο διάστημα όσο το δυνατόν πιο μακριά το ένα από το άλλο. Σε αυτή την περίπτωση, οι άξονες των τεσσάρων sp 3-υβριδικά τροχιακάαποδεικνύεται ότι κατευθύνεται προς τις κορυφές του τετραέδρου (κανονική τριγωνική πυραμίδα).

Κατά συνέπεια, οι γωνίες μεταξύ αυτών των τροχιακών είναι τετραεδρικές, ίσες με 109°28".

Οι κορυφές των τροχιακών ηλεκτρονίων μπορεί να επικαλύπτονται με τα τροχιακά άλλων ατόμων. Εάν τα νέφη ηλεκτρονίων επικαλύπτονται κατά μήκος μιας γραμμής που συνδέει τα κέντρα των ατόμων, τότε ένας τέτοιος ομοιοπολικός δεσμός ονομάζεται sigma() - επικοινωνία. Για παράδειγμα, στο μόριο αιθανίου C 2 H 6, σχηματίζεται ένας χημικός δεσμός μεταξύ δύο ατόμων άνθρακα με την επικάλυψη δύο υβριδικών τροχιακών. Αυτή είναι μια σύνδεση. Επιπλέον, καθένα από τα άτομα άνθρακα με τα τρία του sp 3-τροχιακά επικαλύπτονται με μικρό-τροχιακά τριών ατόμων υδρογόνου, που σχηματίζουν τρεις -δεσμούς.

Διάγραμμα επικάλυψης νέφους ηλεκτρονίων σε μόριο αιθανίου

Συνολικά, τρεις καταστάσεις σθένους με διαφορετικούς τύπους υβριδισμού είναι δυνατές για ένα άτομο άνθρακα. Εκτός sp 3-υβριδισμός υπάρχει sp 2 - και sp-παραγωγή μικτών γενών.

sp 2 -Παραγωγή μικτών γενών- ανάμειξη ενός μικρό- και δύο R-τροχιακά. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζονται τρία υβρίδια sp 2 -τροχιακά. Αυτά τα sp 2-τροχιακά βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο (με άξονες Χ, στο) και κατευθύνονται στις κορυφές του τριγώνου με γωνία μεταξύ των τροχιακών 120°. Μη υβριδοποιημένος R-το τροχιακό είναι κάθετο στο επίπεδο των τριών υβριδίων sp 2-τροχιακά (προσανατολισμένα κατά μήκος του άξονα z). Άνω μισό R-Τα τροχιακά είναι πάνω από το επίπεδο, το κάτω μισό είναι κάτω από το επίπεδο.

Τύπος spΟ υβριδισμός με 2 άνθρακα συμβαίνει σε ενώσεις με διπλό δεσμό: C=C, C=O, C=N. Επιπλέον, μόνο ένας από τους δεσμούς μεταξύ δύο ατόμων (για παράδειγμα, C=C) μπορεί να είναι δεσμός -. (Τα άλλα τροχιακά δεσμού του ατόμου κατευθύνονται σε αντίθετες κατευθύνσεις.) Ο δεύτερος δεσμός σχηματίζεται ως αποτέλεσμα επικάλυψης μη υβριδικών R-τροχιακά και στις δύο πλευρές της γραμμής που συνδέει τους ατομικούς πυρήνες.

Τροχιακά (τρία sp 2 και ένα p) άτομο άνθρακα στο sp 2 -παραγωγή μικτών γενών

Ομοιοπολικός δεσμός που σχηματίζεται από πλευρική επικάλυψη R-τροχιακά γειτονικών ατόμων άνθρακα λέγονται pi()-σύνδεση.

Εκπαίδευση – διασυνδέσεις

Λόγω της μικρότερης τροχιακής επικάλυψης, ο -δεσμός είναι λιγότερο ισχυρός από τον -δεσμό.

sp-Παραγωγή μικτών γενών- αυτό είναι ανάμειξη (ευθυγράμμιση σε σχήμα και ενέργεια) ενός μικρό-και ένα R-τροχιακά να σχηματίσουν δύο υβρίδια sp-τροχιακά. sp-Τα τροχιακά βρίσκονται στην ίδια ευθεία (σε γωνία 180°) και κατευθύνονται σε αντίθετες κατευθύνσεις από τον πυρήνα του ατόμου άνθρακα. Δύο R-τα τροχιακά παραμένουν μη υβριδισμένα. Τοποθετούνται αμοιβαία κάθετα προς τις κατευθύνσεις των συνδέσεων. Στην εικόνα sp-τα τροχιακά φαίνονται κατά μήκος του άξονα y, και τα μη υβριδικά δύο R-τροχιακά- κατά μήκος αξόνων ΧΚαι z.

Ατομικά τροχιακά (δύο sp και δύο p) άνθρακα σε κατάσταση υβριδισμού sp

Ένας τριπλός δεσμός άνθρακα-άνθρακα CC αποτελείται από έναν δεσμό που σχηματίζεται από επικάλυψη sp-υβριδικά τροχιακά, και δύο -δεσμοί.

Ηλεκτρονική δομή του ατόμου άνθρακα

Ο άνθρακας που περιέχεται στις οργανικές ενώσεις παρουσιάζει σταθερό σθένος. Το τελευταίο ενεργειακό επίπεδο του ατόμου άνθρακα περιέχει 4 ηλεκτρόνια, δύο από τα οποία καταλαμβάνουν το τροχιακό 2s, το οποίο έχει σφαιρικό σχήμα, και δύο ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν το τροχιακό 2p, το οποίο έχει σχήμα αλτήρα. Όταν διεγείρεται, ένα ηλεκτρόνιο από το τροχιακό 2s μπορεί να μετακινηθεί σε ένα από τα κενά τροχιακά 2p. Αυτή η μετάβαση απαιτεί κάποια ενεργειακή δαπάνη (403 kJ/mol). Ως αποτέλεσμα, το διεγερμένο άτομο άνθρακα έχει 4 μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια και η ηλεκτρονική του διαμόρφωση εκφράζεται με τον τύπο 2s1 2p3.

Ένα άτομο άνθρακα σε διεγερμένη κατάσταση είναι ικανό να σχηματίσει 4 ομοιοπολικούς δεσμούς λόγω 4 δικών του μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων και 4 ηλεκτρονίων άλλων ατόμων. Έτσι, στην περίπτωση του υδρογονάνθρακα μεθανίου (CH4), το άτομο άνθρακα σχηματίζει 4 δεσμούς με τα s-ηλεκτρόνια των ατόμων υδρογόνου. Σε αυτήν την περίπτωση, θα πρέπει να σχηματιστεί 1 σύνδεση τύπου s-s(μεταξύ του ηλεκτρονίου s ενός ατόμου άνθρακα και του ηλεκτρονίου s ενός ατόμου υδρογόνου) και 3 δεσμών p-s (μεταξύ 3 p-ηλεκτρονίων ενός ατόμου άνθρακα και 3 s-ηλεκτρονίων 3 ατόμων υδρογόνου). Αυτό οδηγεί στο συμπέρασμα ότι οι τέσσερις ομοιοπολικοί δεσμοί που σχηματίζονται από ένα άτομο άνθρακα είναι άνισοι. Ωστόσο, η πρακτική εμπειρία στη χημεία δείχνει ότι και οι 4 δεσμοί σε ένα μόριο μεθανίου είναι απολύτως ισοδύναμοι και το μόριο μεθανίου έχει τετραεδρική δομή με γωνίες δεσμού 109°, κάτι που δεν θα μπορούσε να συμβεί εάν οι δεσμοί ήταν άνισοι. Εξάλλου, μόνο τα τροχιακά των ηλεκτρονίων p είναι προσανατολισμένα στο χώρο κατά μήκος των αμοιβαίων κάθετων αξόνων x, y, z, και το τροχιακό του ηλεκτρονίου s έχει σφαιρικό σχήμα, επομένως η κατεύθυνση σχηματισμού δεσμού με αυτό το ηλεκτρόνιο θα είναι αυθαίρετο. Η θεωρία του υβριδισμού μπόρεσε να εξηγήσει αυτή την αντίφαση. Ο L. Polling πρότεινε ότι σε κανένα μόριο δεν υπάρχουν δεσμοί απομονωμένοι ο ένας από τον άλλο. Όταν σχηματίζονται δεσμοί, τα τροχιακά όλων των ηλεκτρονίων σθένους επικαλύπτονται. Είναι γνωστοί διάφοροι τύποι υβριδισμού τροχιακών ηλεκτρονίων. Υποτίθεται ότι στο μόριο του μεθανίου και άλλων αλκανίων, 4 ηλεκτρόνια εισέρχονται σε υβριδισμό.

Υβριδισμός τροχιακών ατόμων άνθρακα

Ο τροχιακός υβριδισμός είναι μια αλλαγή στο σχήμα και την ενέργεια ορισμένων ηλεκτρονίων όταν σχηματίζεται ένας ομοιοπολικός δεσμός, με αποτέλεσμα πιο αποτελεσματική τροχιακή επικάλυψη και αυξημένη αντοχή δεσμού. Ο υβριδισμός των τροχιακών συμβαίνει πάντα όταν τα ηλεκτρόνια ανήκουν σε διάφοροι τύποιτροχιακά. 1. sp 3 -υβριδισμός (πρώτη κατάσταση σθένους άνθρακα). Κατά τη διάρκεια του υβριδισμού sp3, 3 τροχιακά p και ένα τροχιακό s ενός διεγερμένου ατόμου άνθρακα αλληλεπιδρούν με τέτοιο τρόπο ώστε τα τροχιακά που προκύπτουν να είναι απολύτως πανομοιότυπα σε ενέργεια και συμμετρικά τοποθετημένα στο διάστημα. Αυτός ο μετασχηματισμός μπορεί να γραφτεί ως εξής:

s + px+ py + pz = 4sp3

Κατά τη διάρκεια του υβριδισμού, ο συνολικός αριθμός των τροχιακών δεν αλλάζει, αλλά αλλάζει μόνο η ενέργεια και το σχήμα τους. Αποδεικνύεται ότι τα τροχιακά υβριδισμού sp3 μοιάζουν με ένα τρισδιάστατο σχήμα οκτώ, το ένα από τα πτερύγια του οποίου είναι σημαντικά μεγαλύτερο από το άλλο. Τα τέσσερα υβριδικά τροχιακά εκτείνονται από το κέντρο έως τις κορυφές ενός κανονικού τετραέδρου σε γωνίες 109,50. Οι δεσμοί που σχηματίζονται από υβριδικά ηλεκτρόνια (για παράδειγμα, ένας δεσμός s-sp 3) είναι ισχυρότεροι από τους δεσμούς που σχηματίζονται από μη υβριδισμένα ηλεκτρόνια p (για παράδειγμα, ένας δεσμός s-p). επειδή το υβριδικό τροχιακό sp3 παρέχει μεγαλύτερη επιφάνεια τροχιακής επικάλυψης ηλεκτρονίων από το μη υβριδοποιημένο τροχιακό p. Τα μόρια στα οποία λαμβάνει χώρα ο υβριδισμός sp3 έχουν τετραεδρική δομή. Αυτά, εκτός από το μεθάνιο, περιλαμβάνουν ομόλογα μεθανίου, ανόργανα μόρια όπως η αμμωνία. Τα σχήματα δείχνουν ένα υβριδισμένο τροχιακό και ένα τετραεδρικό μόριο μεθανίου. Οι χημικοί δεσμοί που προκύπτουν στο μεθάνιο μεταξύ ατόμων άνθρακα και υδρογόνου ανήκουν στους δεσμούς y τύπου 2 (sp3 -s-bond). Σε γενικές γραμμές, οποιοσδήποτε δεσμός σίγμα χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι η πυκνότητα ηλεκτρονίων δύο διασυνδεδεμένων ατόμων επικαλύπτεται κατά μήκος της γραμμής που συνδέει τα κέντρα (πυρήνες) των ατόμων. Οι δεσμοί y αντιστοιχούν στον μέγιστο δυνατό βαθμό επικάλυψης των ατομικών τροχιακών, επομένως είναι αρκετά ισχυροί. 2. Υβριδισμός sp2 (δεύτερη κατάσταση σθένους άνθρακα). Προκύπτει ως αποτέλεσμα της επικάλυψης ενός 2s και δύο 2p τροχιακών. Τα προκύπτοντα υβριδικά τροχιακά sp2 βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο σε γωνία 1200 μεταξύ τους και το μη υβριδοποιημένο ρ-τροχιακό είναι κάθετο σε αυτό. Συνολικός αριθμόςΤα τροχιακά δεν αλλάζουν - υπάρχουν τέσσερα από αυτά.

s + px + py + pz = 3sp2 + pz

Η κατάσταση υβριδισμού sp2 εμφανίζεται σε μόρια αλκενίου, σε ομάδες καρβονυλίου και καρβοξυλίου, δηλ. σε ενώσεις που περιέχουν διπλό δεσμό. Έτσι, στο μόριο αιθυλενίου, τα υβριδοποιημένα ηλεκτρόνια του ατόμου άνθρακα σχηματίζουν δεσμούς 3 y (δύο δεσμούς τύπου sp 2 -s μεταξύ του ατόμου άνθρακα και των ατόμων υδρογόνου και ένας δεσμός τύπου sp 2 -sp 2 μεταξύ των ατόμων άνθρακα). Το υπόλοιπο μη υβριδοποιημένο p-ηλεκτρόνιο ενός ατόμου άνθρακα σχηματίζει έναν δεσμό p με το μη υβριδοποιημένο p-ηλεκτρόνιο του δεύτερου ατόμου άνθρακα. Χαρακτηριστικό στοιχείοΈνας δεσμός p είναι ότι η επικάλυψη των τροχιακών ηλεκτρονίων συμβαίνει έξω από τη γραμμή που συνδέει τα δύο άτομα. Η επικάλυψη των τροχιακών εμφανίζεται πάνω και κάτω από τον δεσμό y που συνδέει και τα δύο άτομα άνθρακα. Έτσι, ένας διπλός δεσμός είναι ένας συνδυασμός δεσμών y και p. Τα δύο πρώτα σχήματα δείχνουν ότι στο μόριο αιθυλενίου οι γωνίες δεσμού μεταξύ των ατόμων που σχηματίζουν το μόριο αιθυλενίου είναι 1200 (που αντιστοιχεί στον χωρικό προσανατολισμό των τριών υβριδικών τροχιακών sp2). Το τρίτο και το τέταρτο σχήμα δείχνουν τον σχηματισμό ενός δεσμού p. αιθυλένιο (σχηματισμός δεσμών y) αιθυλένιο (σχηματισμός δεσμού pi) Δεδομένου ότι η περιοχή επικάλυψης των μη υβριδισμένων τροχιακών ρ στους δεσμούς p είναι μικρότερη από την περιοχή επικάλυψης των τροχιακών στους δεσμούς y, ο δεσμός p είναι λιγότερο ισχυρός από τον δεσμό y και σπάει ευκολότερα σε χημικές αντιδράσεις. 3. sp-υβριδισμός (τρίτη κατάσταση σθένους άνθρακα). Στην κατάσταση του sp-υβριδισμού, το άτομο άνθρακα έχει δύο sp-υβριδικά τροχιακά τοποθετημένα γραμμικά σε γωνία 1800 μεταξύ τους και δύο μη υβριδισμένα p-τροχιακά που βρίσκονται σε δύο αμοιβαία κάθετα επίπεδα. sp- Ο υβριδισμός είναι τυπικός για αλκίνια και νιτρίλια, π.χ. για ενώσεις που περιέχουν τριπλό δεσμό.

s + px + py + pz = 2sp + py + pz

Έτσι, σε ένα μόριο ακετυλενίου, οι γωνίες δεσμού μεταξύ των ατόμων είναι 1800. Τα υβριδισμένα ηλεκτρόνια ενός ατόμου άνθρακα σχηματίζουν 2 δεσμούς y (ένας δεσμός sp-s μεταξύ ενός ατόμου άνθρακα και ενός ατόμου υδρογόνου και ένας άλλος δεσμός sp-sp μεταξύ ατόμων άνθρακα. Δύο μη υβριδισμένα p-ηλεκτρόνια ενός ατόμου άνθρακα σχηματίζουν δύο δεσμούς p με μη υβριδισμένα p-ηλεκτρόνια το δεύτερο άτομο άνθρακα Η επικάλυψη των τροχιακών p-ηλεκτρονίων εμφανίζεται όχι μόνο πάνω και κάτω από τον δεσμό y, αλλά και μπροστά και πίσω, και το συνολικό νέφος των p-ηλεκτρονίων έχει κυλινδρικό σχήμα. ο τριπλός δεσμός είναι ένας συνδυασμός ενός δεσμού y και δύο δεσμών p Η παρουσία λιγότερο ισχυρών δύο δεσμών p στο μόριο ακετυλενίου εξασφαλίζει την ικανότητα αυτής της ουσίας να εισέρχεται σε αντιδράσεις προσθήκης με τη διάσπαση του τριπλού δεσμού.

Συμπέρασμα: Ο υβριδισμός sp3 είναι χαρακτηριστικός των ενώσεων άνθρακα. Ως αποτέλεσμα του υβριδισμού ενός s-τροχιακού και τριών τροχιακών p, σχηματίζονται τέσσερα υβριδικά τροχιακά sp3, κατευθυνόμενα προς τις κορυφές του τετραέδρου με γωνία μεταξύ των τροχιακών 109°.