AO hibridizasyon türleri. Moleküler polarite

Değerlik bağı yöntemi, birçok molekülün uzaysal özelliklerini net bir şekilde açıklamayı mümkün kılar. Bununla birlikte, yörüngelerin şekillerine ilişkin olağan fikir, merkez atomun neden farklı olduğu sorusunu cevaplamak için yeterli değildir - S, P, D– değerlik yörüngeleri, aynı ikame edicilere sahip moleküllerde oluşturduğu bağların enerji ve uzaysal özellikleri bakımından eşdeğer olduğu ortaya çıkar. 19. yüzyılın yirmili yıllarında Linus Pauling, elektron yörüngelerinin hibridizasyonu kavramını önerdi. Hibritleşme, atomik yörüngelerin şekil ve enerji açısından hizalanmasının soyut bir modelidir.

Hibrit yörünge şekillerinin örnekleri Tablo 5'te sunulmaktadır.

Tablo 5. Hibrit sp, sp 2 , sp 3 yörünge

Hibritleşme kavramının, moleküllerin geometrik şeklini ve bağ açılarının boyutunu açıklarken kullanılması uygundur (görev 2-5 örnekleri).

BC yöntemini kullanarak moleküllerin geometrisini belirlemek için algoritma:

A. Merkez atomu ve uç atomlarla olan σ bağlarının sayısını belirleyin.

B. Dış elektronik seviyelerin molekülünü ve grafik görüntülerini oluşturan tüm atomların elektronik konfigürasyonlarını çizin.

V. BC yönteminin ilkelerine göre, her bağın oluşumu genel durumda her atomdan bir çift elektron gerektirir. Merkezi atom için yeterince eşleşmemiş elektron yoksa, elektron çiftlerinden birinin daha yüksek bir enerji seviyesine geçişiyle atomun uyarıldığı varsayılmalıdır.

d.Tüm bağları ve ilk periyodun elemanları için eşleşmemiş elektronları dikkate alarak hibritleşmenin ihtiyacını ve türünü varsayalım.

e.Yukarıdaki sonuçlara dayanarak, moleküldeki tüm atomların elektronik yörüngelerini (melez olsun veya olmasın) ve bunların örtüşmelerini çizin. Molekülün geometrisi ve bağ açılarının yaklaşık değeri hakkında bir sonuca varın.

e.Atomların elektronegatiflik değerlerine göre bağ polaritesinin derecesini belirleyin (Tablo 6) Pozitif ve negatif yüklerin ağırlık merkezlerinin konumuna ve/veya molekülün simetrisine göre bir dipol momentinin varlığını belirleyin. .

Tablo 6. Bazı elementlerin Pauling'e göre elektronegatiflik değerleri

Görev örnekleri

Görev 1. CO molekülündeki kimyasal bağı BC yöntemini kullanarak tanımlayın.

Çözüm (Şek. 25)

A. Molekülünü oluşturan tüm atomların elektronik konfigürasyonlarını çizin.

B. Bir bağ oluşturmak için sosyalleşmiş elektron çiftleri oluşturmak gerekir

Şekil 25. Bir CO molekülünde bağ oluşumunun şeması (yörünge hibridizasyonu olmadan)

Sonuç: CO molekülünde C≡O üçlü bağı vardır

CO molekülü için varlığını varsayabiliriz sp-her iki atomun yörüngelerinin melezleşmesi (Şekil 26). Bağ oluşumunda yer almayan eşleştirilmiş elektronlar sp-hibrit yörünge.

Şekil 26. Bir CO molekülünde bağ oluşumu şeması (orbitallerin hibridizasyonu dikkate alınarak)

Görev 2. BC yöntemine dayanarak BeH 2 molekülünün uzaysal yapısını varsayalım ve molekülün dipol olup olmadığını belirleyin.

Sorunun çözümü Tablo 7'de sunulmaktadır.

Tablo 7. BeH 2 molekülünün geometrisinin belirlenmesi

	Elektronik konfigürasyon		Notlar
A.			Merkez atomu berilyumdur. Hidrojen atomlarıyla iki ϭ bağı oluşturması gerekiyor
B.	Y: 1 S 1 Ol: 2 S 2		Hidrojen atomunun eşlenmemiş bir elektronu vardır, berilyum atomunun tüm elektronları eşleşmiştir, uyarılmış bir duruma aktarılması gerekir
V.	Y: 1 S 1 Ol*: 2 S 1 2P 1		Bir hidrojen atomu berilyuma 2 nedeniyle bağlanırsa S-berilyum elektronu ve diğeri - 2 nedeniyle P- berilyumun elektronu olsaydı, molekül enerjik olarak gerekçelendirilmeyen simetriye sahip olmazdı ve Be-H bağları eşdeğer olmazdı.
G.	Y: 1 S 1 Ol*: 2( sp) 2		Var olduğu varsayılmalıdır sp-hibridizasyon
D.			İki sp-hibrit yörüngeler 180° açıyla yerleştirilmiştir, BeH2 molekülü doğrusaldır
e.		Elektronegatiflik χ H = 2,1, χ Be = 1,5, bu nedenle bağ kovalent polardır, elektron yoğunluğu hidrojen atomuna kaydırılır, üzerinde küçük bir negatif yük δ– belirir.

Berilyum atomunda δ+. Pozitif ve negatif yükün ağırlık merkezleri çakıştığı için (simetriktir), molekül dipol değildir. sp Benzer akıl yürütme, moleküllerin geometrisini tanımlamaya yardımcı olacaktır. 2 - ve sp

3-hibrit yörüngeler (Tablo 8).

Tablo 8. BF3 ve CH4 moleküllerinin geometrisi Görev 3.

BC yöntemine dayanarak, H 2 O molekülünün uzaysal yapısını varsayalım ve molekülün dipol olup olmadığını belirleyin. İki olası çözüm vardır; bunlar tablo 9 ve 10'da sunulmaktadır.

	Elektronik konfigürasyon	Tablo 9. H 2 O molekülünün geometrisinin belirlenmesi (orbital hibridizasyon olmadan)	Notlar
A.
B.	Y: 1 S Dış seviye yörüngelerinin grafik gösterimi S 2 2P 4
V.			1 Ç: 2
G.			Hidrojen atomlarıyla iki ϭ bağı oluşturmaya yetecek kadar eşleşmemiş elektron vardır.
D.
e.

Hibridizasyon ihmal edilebilir

Bu nedenle bir su molekülünün bağ açısının yaklaşık 90° olması gerekir. Ancak bağlar arasındaki açı yaklaşık 104°'dir.

Bu açıklanabilir

1) birbirine yakın bulunan hidrojen atomlarının itilmesi.

Tablo 10. H2O molekülünün geometrisinin belirlenmesi (orbitallerin hibridizasyonu dikkate alınarak)

	Elektronik konfigürasyon	Tablo 9. H 2 O molekülünün geometrisinin belirlenmesi (orbital hibridizasyon olmadan)	Notlar
A.			Merkezi atom oksijendir. Hidrojen atomlarıyla iki ϭ bağı oluşturması gerekiyor.
B.	Y: 1 S Dış seviye yörüngelerinin grafik gösterimi S 2 2P 4		Hidrojen atomunun eşlenmemiş bir elektronu, oksijen atomunun ise iki eşlenmemiş elektronu vardır.
V.			Hidrojen atomunun eşlenmemiş bir elektronu, oksijen atomunun ise iki eşlenmemiş elektronu vardır.
G.			104°'lik bir açı varlığı gösterir sp 3-hibridizasyon.
D.			İki sp 3-hibrit yörüngeler yaklaşık 109°'lik bir açıyla yerleştirilmiştir, H2O molekülü şekil olarak bir tetrahedrona yakındır, bağ açısındaki azalma, bağlanmayan elektron çiftinin etkisiyle açıklanmaktadır.
e.		Elektronegatiflik χ Н = 2,1, χ О = 3,5, bu nedenle bağ kovalent polardır, elektron yoğunluğu oksijen atomuna kaydırılır, üzerinde küçük bir negatif yük 2δ– belirir. Hidrojen atomunda δ+. Pozitif ve negatif yüklerin ağırlık merkezleri çakışmadığından (simetrik olmadığından) molekül bir dipoldür.

Benzer bir akıl yürütme, amonyak molekülü NH3'teki bağ açılarının açıklanmasına olanak sağlar. Yalnız elektron çiftlerini içeren melezleşmenin genellikle yalnızca II. dönem elementlerinin atomlarının yörüngeleri için olduğu varsayılır. H 2 S = 92°, H 2 Se = 91°, H 2 Te = 89° moleküllerindeki bağ açıları. Aynı durum NH 3, РH 3, AsH 3 serilerinde de görülmektedir. Bu moleküllerin geometrisini tanımlarken geleneksel olarak ya hibridizasyon kavramına başvurmazlar ya da tetrahedral açıdaki azalmayı yalnız çiftin artan etkisiyle açıklarlar.

Hibridizasyon tipinin nasıl belirleneceğinden bahsedelim ve ayrıca molekülün geometrik yapısını da dikkate alalım.

Terimin tarihi

Yirminci yüzyılın başında L. Paulingle, kovalent bağlı moleküllerin geometrisine ilişkin bir teori önerdi. Bağlantının oluşumunda elektron bulutlarının örtüşmesi esas alındı. Yöntem değerlik bağları olarak adlandırılmaya başlandı. Bileşiklerdeki atomların hibridizasyon tipi nasıl belirlenir? Teorinin yazarı, hibrit yörüngelerin karıştırılmasını dikkate almayı önerdi.

Tanım

Bileşiklerdeki hibridizasyon tipinin nasıl belirleneceğini anlamak için bu terimin ne anlama geldiğine bakalım.

Hibritleşme elektron yörüngelerinin karıştırılmasıdır. Bu sürece içlerindeki enerjinin dağılımı ve şekillerinde bir değişiklik eşlik eder. S- ve p-orbitallerinin karışım miktarına bağlı olarak hibridizasyon tipi farklı olabilir. Organik bileşiklerde bir karbon atomu sp, sp2, sp3 durumunda bulunabilir. Sp'ye ek olarak d-orbitallerinin de dahil olduğu daha karmaşık formlar da vardır.

Moleküllerdeki inorganik maddeleri tanımlama kuralları

AVP tipine sahip kovalent kimyasal bağa sahip bileşikler için hibridizasyon varyantı tanımlanabilir. A ana atom, B ligand, n iki veya daha yüksek bir sayıdır. Böyle bir durumda hibridizasyona yalnızca ana atomun değerlik yörüngeleri girecektir.

Belirleme yöntemleri

Hibridizasyon türünün nasıl belirleneceği hakkında daha ayrıntılı olarak konuşalım. Kimyasal anlamda bu terim, yörüngelerin enerjisinde ve şeklinde bir değişiklik anlamına gelir. Farklı türlere ait elektronların bağ oluşturmak için kullanıldığı durumlarda da benzer bir süreç gözlemlenir.

Hibritleşme türünün nasıl belirleneceğini anlamak için bir metan molekülünü düşünün. Bu madde, homolog doymuş (doymuş) hidrokarbon serisinin ilk temsilcisidir. Uzayda CH4 molekülü bir tetrahedrondur. Tek bir karbon atomu, enerji ve uzunluk bakımından benzer olan hidrojenlerle bağlar oluşturur. Bu tür hibrit bulutların oluşturulması için üç p-elektronu ve bir es-elektronu kullanılır.

Dört bulut karışıyor ve düzensiz sekiz rakamına benzeyen dört özdeş (melez) tür ortaya çıkıyor. Bu tür hibridizasyona sp3 adı verilir. Yalnızca basit (tekli) bağlar içeren tüm hidrokarbonlar, karbon atomunun tam olarak bu tür hibridizasyonuyla karakterize edilir. Bağ açısı 109 derece 28 dakikadır.

Hibritleşme türünün nasıl belirleneceği hakkında konuşmaya devam edelim. Etilen serisinin örnekleri sp2 hibridizasyonuna ilişkin bilgi sağlar. Örneğin bir etilen molekülünde dört molekülden yalnızca üçü kimyasal bağ oluşturmak için kullanılır. Geriye kalan hibrit olmayan p-elektronu çift bağ oluşturmaya gider.

Asetilen SpN2n-2 sınıfının en basit temsilcisidir. Bu hidrokarbon sınıfının özel bir özelliği üçlü bağın varlığıdır. Bir karbon atomunun dört değerlik elektronundan yalnızca ikisi şekil ve enerjisini değiştirerek hibrit hale gelir. Kalan iki elektron, bu sınıftaki organik bileşiklerin doymamış doğasını belirleyen iki çift bağın oluşumunda rol alır.

Çözüm

Organik ve melezleşme meselesi göz önüne alındığında melezleşme dikkate alınır. Bu durumda enerjileri ve biçimleri hizalanır. Bağlı bir atomun çekirdeğinin yakınında bulunan bir elektron, aynı bilgilere sahip bir dizi yörünge ile karakterize edilir. Hibridizasyon türü hakkında bilgi, bir maddenin kimyasal özelliklerini değerlendirmeyi mümkün kılar.

sp3 hibridizasyonu

sp 3 -Hibridizasyon - bir atomik yörüngenin olduğu hibridizasyon S- ve üç P-elektronlar (Şekil 1).

Pirinç. 1. Eğitim sp 3-hibrit yörüngeler

Dört sp 3-hibrit yörüngeler uzayda 109°28" açıyla simetrik olarak yönlendirilmiştir (Şekil 2).

Atom modeli c sp 3-hibrit yörüngeler

Merkezi atomu oluşan bir molekülün uzaysal konfigürasyonu sp 3-hibrit yörüngeler - tetrahedron

Merkezi atomu oluşan bir molekülün tetrahedral uzaysal konfigürasyonu sp 3-hibrit yörüngeler

hibridizasyon atomu yörünge karbonu

Aşağıdakilerle karakterize edilen bileşiklerin örnekleri: sp 3-hibridizasyon: NH3, POCl3, SO2F2, SOBr2, NH4+, H3O+. Ayrıca, sp Tüm doymuş hidrokarbonlarda (alkanlar, sikloalkanlar) ve diğer organik bileşiklerde 3-hibridizasyon gözlenir: CH4, C5H12, C6H14, C8H18, vb. Alkanların genel formülü şöyledir: CnH2n +2. Sikloalkanların genel formülü CnH2n'dir. Doymuş hidrokarbonlarda tüm kimyasal bağlar tektir, dolayısıyla yalnızca bu bileşiklerin hibrit yörüngeleri arasındadır. en- örtüşüyor.

Atomik yörünge bir atomun çekirdeği etrafındaki uzaydaki her noktadaki elektron bulutunun yoğunluğunu tanımlayan bir fonksiyondur. Elektron bulutu, uzayda bir elektronun yüksek olasılıkla tespit edilebildiği bir bölgedir.

Karbon atomunun elektronik yapısını ve bu elementin değerini uyumlu hale getirmek için karbon atomunun uyarılma kavramları kullanılır. Normal (uyarılmamış) durumda, karbon atomunda iki eşleşmemiş 2 bulunur. R 2 elektron. Uyarılmış bir durumda (enerji emildiğinde) 2'den biri S 2 elektron serbest kalabilir R-orbital. Daha sonra karbon atomunda dört eşleşmemiş elektron belirir:

Bunu bir atomun elektronik formülünde (örneğin karbon 6 C - 1 için) hatırlayalım. S 2 2S 2 2P 2) - 1, 2 - harflerinin önündeki büyük sayılar, enerji seviyesinin sayısını gösterir. Edebiyat S Ve R elektron bulutunun (yörünge) şeklini gösterir ve harflerin sağ üstündeki sayılar belirli bir yörüngedeki elektron sayısını gösterir. Tüm S- küresel yörüngeler

2 hariç ikinci enerji seviyesinde S-üç tane yörünge var 2 R-orbitaller. Bu 2 R Yörüngeler dambıllara benzer şekilde elipsoidal bir şekle sahiptir ve uzayda birbirine 90° açıyla yönlendirilmiştir. 2 R-Orbitaller 2'yi gösterir R X , 2R sen ve 2 R z bu yörüngelerin bulunduğu eksenlere göre.

P-elektron yörüngelerinin şekli ve yönelimi

Kimyasal bağlar oluştuğunda elektron yörüngeleri aynı şekli alır. Dolayısıyla doymuş hidrokarbonlarda bir S-yörünge ve üç R-karbon atomunun yörüngelerinin dört özdeş (melez) oluşturması sp 3-orbitaller:

Bu - sp 3 -hibridizasyon.

Hibridizasyon- atomik yörüngelerin hizalanması (karıştırılması) ( S Ve R) adı verilen yeni atomik yörüngelerin oluşumuyla hibrit yörüngeler.

Dört sp 3 -karbon atomunun hibrit yörüngeleri

Buna göre bu yörüngeler arasındaki açılar tetrahedral olup 109°28"'e eşittir.

Elektron yörüngelerinin köşeleri diğer atomların yörüngeleriyle örtüşebilir. Elektron bulutları atomların merkezlerini birleştiren bir çizgi boyunca örtüşüyorsa, böyle bir kovalent bağ denir. sigma() - iletişim. Örneğin, C2H6 etan molekülünde, iki karbon atomu arasında iki hibrit yörüngenin üst üste binmesiyle kimyasal bir bağ oluşur. Bu bir bağlantıdır. Ayrıca karbon atomlarının her biri üç sp 3-orbitaller örtüşüyor SÜç hidrojen atomunun yörüngeleri, üç bağ oluşturur.

Bir etan molekülünde elektron bulutu örtüşmesinin diyagramı

Toplamda, bir karbon atomu için farklı hibridizasyon türlerine sahip üç değerlik durumu mümkündür. Hariç sp 3-hibridizasyon mevcut sp 2 - ve sp-hibridizasyon.

sp 2 -Hibridizasyon- birini karıştırmak S- ve iki R-orbitaller. Sonuç olarak üç melez oluşur sp 2 -orbitaller. Bunlar sp 2-orbitaller aynı düzlemde bulunur (eksenlerle birlikte) X, en) ve yörüngeler arasında 120°'lik bir açıyla üçgenin köşelerine yönlendirilir. Hibritlenmemiş R-Yörünge üç hibritin düzlemine diktir. sp 2-orbitaller (eksen boyunca yönlendirilmiş z). Üst yarı R-Yörüngeler düzlemin üstünde, alt yarısı ise düzlemin altındadır.

Tip sp 2-karbon hibridizasyonu çift bağa sahip bileşiklerde meydana gelir: C=C, C=O, C=N. Ayrıca iki atom arasındaki bağlardan yalnızca biri (örneğin C=C) - bağı olabilir. (Atomun diğer bağ yörüngeleri zıt yönlerdedir.) Hibrit olmayanların üst üste binmesi sonucu ikinci bağ oluşur. R-atom çekirdeğini birleştiren çizginin her iki tarafındaki yörüngeler.

Orbitaller (üç sp 2 ve sp'de bir p) karbon atomu 2 -hibridizasyon

Yanal örtüşmenin oluşturduğu kovalent bağ R Komşu karbon atomlarının yörüngelerine denir pi()-bağlantısı.

Eğitim - bağlantılar

Daha az yörünge örtüşmesi nedeniyle -bağ -bağdan daha az güçlüdür.

sp-Hibridizasyon- bu bir şeyin karıştırılmasıdır (şekil ve enerjinin hizalanması). S- ve bir R-iki hibrit oluşturacak yörüngeler sp-orbitaller. sp-Yörüngeler aynı çizgi üzerinde (180° açıyla) bulunur ve karbon atomunun çekirdeğinden zıt yönlere yönlendirilir. İki R-orbitaller melezleşmeden kalır. Bağlantı yönlerine karşılıklı olarak dik olarak yerleştirilirler. resimde sp-yörüngeler eksen boyunca gösterilmiştir sen ve melezleşmemiş iki R-yörüngeler- eksenler boyunca X Ve z.

sp hibridizasyon durumunda karbonun atomik yörüngeleri (iki sp ve iki p)

Bir karbon-karbon üçlü bağı CC, üst üste bindirilerek oluşturulan bir -bağdan oluşur sp-hibrit yörüngeler ve iki -bağ.

Karbon atomunun elektronik yapısı

Organik bileşiklerin içerdiği karbon, sabit bir değerlik sergiler. Karbon atomunun son enerji seviyesinde 4 elektron bulunur; bunlardan ikisi küresel şekilli 2s yörüngesinde, iki elektron dambıl şekilli 2p yörüngesinde bulunur. Uyarıldığında 2s yörüngesindeki bir elektron boş 2p yörüngelerinden birine geçebilir. Bu geçiş bir miktar enerji harcaması gerektirir (403 kJ/mol). Sonuç olarak, uyarılmış karbon atomunun 4 eşleşmemiş elektronu vardır ve elektronik konfigürasyonu 2s1 2p3 formülüyle ifade edilir.

Uyarılmış durumdaki bir karbon atomu, kendi eşleşmemiş elektronlarından 4'ü ve diğer atomların 4 elektronu nedeniyle 4 kovalent bağ oluşturma kapasitesine sahiptir. Dolayısıyla metan hidrokarbon (CH4) durumunda karbon atomu, hidrojen atomlarının s-elektronlarıyla 4 bağ oluşturur. Bu durumda 1 s-s tipi bağ (karbon atomunun s-elektronu ile hidrojen atomunun s-elektronu arasında) ve 3 p-s bağı (karbon atomunun 3 p-elektronu ile 3 hidrojenin 3 s-elektronu arasında) atomlar) oluşmalıdır. Bu, bir karbon atomunun oluşturduğu dört kovalent bağın eşit olmadığı sonucuna varır. Bununla birlikte, kimyadaki pratik deneyim, bir metan molekülündeki 4 bağın tamamının kesinlikle eşdeğer olduğunu ve metan molekülünün bağ açıları 109° olan dört yüzlü bir yapıya sahip olduğunu göstermektedir; bağlar eşit değilse bu durum söz konusu olamaz. Sonuçta, yalnızca p-elektronlarının yörüngeleri uzayda karşılıklı olarak dik olan x, y, z eksenleri boyunca yönlendirilir ve s-elektronunun yörüngesi küresel bir şekle sahiptir, dolayısıyla bu elektronla bir bağın oluşma yönü olacaktır. keyfi olmak. Melezleşme teorisi bu çelişkiyi açıklayabildi. L. Polling, herhangi bir molekülde birbirinden izole edilmiş bağ bulunmadığını öne sürdü. Bağ oluştuğunda tüm değerlik elektronlarının yörüngeleri örtüşür. Elektron yörüngelerinin çeşitli hibridizasyon türleri bilinmektedir. Metan ve diğer alkanların molekülünde 4 elektronun hibridizasyona girdiği varsayılmaktadır.

Karbon atomu yörüngelerinin hibridizasyonu

Orbital hibridizasyon, kovalent bir bağ oluştururken bazı elektronların şekli ve enerjisinde meydana gelen bir değişikliktir, bu da daha verimli bir yörünge örtüşmesi ve artan bağ kuvveti ile sonuçlanır. Orbital hibridizasyon, farklı türdeki yörüngelere ait elektronlar bağ oluşumuna katıldığında meydana gelir. 1. sp 3 -hibridizasyon (karbonun ilk değerlik durumu). Sp3 hibridizasyonu sırasında, uyarılmış bir karbon atomunun 3 p yörüngesi ve bir s yörüngesi, ortaya çıkan yörüngelerin enerji açısından tamamen aynı olmasını ve uzayda simetrik olarak konumlandırılmasını sağlayacak şekilde etkileşime girer. Bu dönüşüm şu şekilde yazılabilir:

s + px+ py + pz = 4sp3

Hibritleşme sırasında toplam yörünge sayısı değişmez, yalnızca enerjileri ve şekilleri değişir. Sp3 hibridizasyon yörüngelerinin, kanatlarından biri diğerinden önemli ölçüde daha büyük olan üç boyutlu bir sekiz rakamına benzediği gösterilmiştir. Dört hibrit yörünge, düzenli bir tetrahedronun merkezinden köşelerine kadar 109,50 açıyla uzatılır. Hibrit elektronların oluşturduğu bağlar (örneğin bir s-sp3 bağı), melezleşmemiş p elektronlarının oluşturduğu bağlardan (örneğin bir s-p bağı) daha güçlüdür. çünkü hibrit sp3 yörüngesi, melezleşmemiş p yörüngesine göre daha geniş bir elektron yörüngesi örtüşme alanı sağlar. Sp3 hibridizasyonunun meydana geldiği moleküller tetrahedral bir yapıya sahiptir. Bunlar metana ek olarak metan homologlarını ve amonyak gibi inorganik molekülleri içerir. Şekiller melezleşmiş bir yörünge ve dört yüzlü bir metan molekülünü göstermektedir. Metanda karbon ve hidrojen atomları arasında ortaya çıkan kimyasal bağlar tip 2 y-bağlarına (sp3 -s-bağı) aittir. Genel olarak konuşursak, herhangi bir sigma bağı, birbirine bağlı iki atomun elektron yoğunluğunun, atomların merkezlerini (çekirdeklerini) birleştiren çizgi boyunca örtüşmesiyle karakterize edilir. Y-Bağları atomik yörüngelerin mümkün olan maksimum örtüşme derecesine karşılık gelir, dolayısıyla oldukça güçlüdürler. 2. sp2 hibridizasyonu (karbonun ikinci değerlik durumu). Bir 2s ve iki 2p yörüngesinin örtüşmesi sonucu ortaya çıkar. Ortaya çıkan sp2-hibrit yörüngeleri aynı düzlemde birbirine 1200 derecelik bir açıyla yerleştirilir ve melezleşmemiş p-orbital buna diktir. Toplam yörünge sayısı değişmez - bunlardan dört tane vardır.

s + piksel + py + pz = 3sp2 + pz

Sp2 hibridizasyon durumu alken moleküllerinde, karbonil ve karboksil gruplarında meydana gelir; Çift bağ içeren bileşiklerde. Böylece, etilen molekülünde, karbon atomunun melezleşmiş elektronları 3 y-bağı oluşturur (karbon atomu ile hidrojen atomları arasında iki sp2-s tipi bağ ve karbon atomları arasında bir sp2-sp2 tipi bağ). Bir karbon atomunun geri kalan melezleşmemiş p-elektronu, ikinci karbon atomunun melezleşmemiş p-elektronuyla bir p-bağı oluşturur. P bağının karakteristik bir özelliği, elektron yörüngelerinin örtüşmesinin, iki atomu birleştiren çizginin dışında meydana gelmesidir. Yörüngelerin örtüşmesi, her iki karbon atomunu birbirine bağlayan y bağının üstünde ve altında meydana gelir. Dolayısıyla bir çift bağ, y- ve p-bağlarının birleşimidir. İlk iki şekil, etilen molekülünde, etilen molekülünü oluşturan atomlar arasındaki bağ açılarının 1200° olduğunu göstermektedir (üç sp2 hibrit yörüngesinin uzaysal yönelimine karşılık gelir). Üçüncü ve dördüncü şekiller bir p-bağının oluşumunu göstermektedir. etilen (y-bağlarının oluşumu) etilen (pi-bağının oluşumu) p-bağlarındaki melezleşmemiş p-orbitallerin örtüşme alanı, y-bağlarındaki yörüngelerin örtüşme alanından daha az olduğundan, p-bağı Y bağından daha az güçlüdür ve kimyasal reaksiyonlarda kırılması daha kolaydır. 3. sp-hibridizasyonu (karbonun üçüncü değerlik durumu). Sp-hibridizasyon durumunda, karbon atomu, birbirine 1800 derecelik bir açıyla doğrusal olarak yerleştirilmiş iki sp-hibrit yörüngeye ve iki karşılıklı dik düzlemde yer alan iki hibritleşmemiş p-orbitaline sahiptir. sp- Hibridizasyon alkinler ve nitriller için tipiktir; üçlü bağ içeren bileşikler için.

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

Dolayısıyla bir asetilen molekülünde atomlar arasındaki bağ açıları 1800'dür. Bir karbon atomunun melezleşmiş elektronları 2 y-bağı oluşturur (bir karbon atomu ile bir hidrojen atomu arasında bir sp-s bağı ve karbon atomları arasında başka bir sp-sp bağı. Bir karbon atomunun iki melezleşmemiş p-elektronu, iki p-bağı oluşturur) melezleşmemiş p-elektronları ile ikinci karbon atomu. p-elektron yörüngelerinin örtüşmesi yalnızca y-bağının üstünde ve altında değil, aynı zamanda önünde ve arkasında da meydana gelir ve toplam p-elektron bulutu silindirik bir şekle sahiptir. Üçlü bağ, bir y bağı ve iki p bağının birleşimidir. Asetilen molekülünde daha az kuvvetli iki p bağının bulunması, bu maddenin üçlü bağın bölünmesiyle ilave reaksiyonlara girebilmesini sağlar.

Sonuç: sp3 hibridizasyonu karbon bileşiklerinin karakteristiğidir. Bir s-orbitalinin ve üç p-orbitalinin hibridizasyonunun bir sonucu olarak, tetrahedronun köşelerine doğru, yörüngeler arasında 109°'lik bir açıyla yönlendirilen dört hibrit sp3 yörüngesi oluşur.

Karbon atomu modeli

Bir karbon atomunun değerlik elektronları bir 2s yörüngesinde ve iki 2p yörüngesinde bulunur. 2p yörüngeleri birbirine 90° açıyla yerleştirilmiştir ve 2s yörüngesi küresel simetriye sahiptir. Dolayısıyla karbon atomu yörüngelerinin uzaydaki düzeni, organik bileşiklerde 109,5°, 120° ve 180° bağ açılarının oluşumunu açıklamaz.

Bu çelişkiyi çözmek için kavram tanıtıldı Atomik yörüngelerin hibridizasyonu. Karbon atomu bağlarının düzenlenmesine ilişkin üç seçeneğin doğasını anlamak için üç tür hibridizasyonun anlaşılması gerekiyordu.

Hibritleşme kavramının ortaya çıkmasını, kimyasal bağlanma teorisinin gelişmesinde çok şey yapan Linus Pauling'e borçluyuz.

Hibritleşme kavramı, bir karbon atomunun bileşikler oluşturacak şekilde yörüngelerini nasıl değiştirdiğini açıklar. Aşağıda yörüngelerin bu dönüşüm sürecini adım adım ele alacağız. Melezleşme sürecinin aşamalara veya aşamalara bölünmesinin aslında kavramın daha mantıklı ve erişilebilir bir şekilde sunulmasına olanak tanıyan zihinsel bir teknikten başka bir şey olmadığı unutulmamalıdır. Bununla birlikte, karbon atomunun bağlarının uzaysal yönelimiyle ilgili olarak eninde sonunda varacağımız sonuçlar, gerçek durumla tamamen tutarlıdır.

Karbon atomunun temel ve uyarılmış hallerdeki elektronik konfigürasyonu

Soldaki şekil bir karbon atomunun elektronik konfigürasyonunu göstermektedir. Biz sadece değerlik elektronlarının kaderiyle ilgileniyoruz. İlk adımın sonucu olarak adlandırılan heyecanlanmak veya terfi, iki 2s elektronundan biri boş bir 2p yörüngesine hareket eder. İkinci aşamada, geleneksel olarak bir s- ve üç p-orbitalinin karıştırılması ve bunlardan her biri s'nin özelliklerini koruyan dört yeni özdeş yörüngenin oluşması olarak hayal edilebilecek gerçek hibridizasyon süreci meydana gelir. -orbital dörtte bir oranında ve özellikler dörtte üç oranında p-orbitallerdedir. Bu yeni yörüngelere denir sp 3 -hibrit. Burada üst simge 3, yörüngeleri işgal eden elektronların sayısını değil, hibridizasyonda yer alan p-orbitallerinin sayısını belirtir. Hibrit yörüngeler, merkezinde bir karbon atomu bulunan bir tetrahedronun köşelerine doğru yönlendirilir. Her sp 3 hibrit yörüngesi bir elektron içerir. Bu elektronlar, dört hidrojen atomu ile bağ oluşumunda üçüncü aşamaya katılarak 109,5°'lik bağ açıları oluştururlar.

sp3 - hibridizasyon. Metan molekülü.

Bağ açıları 120° olan düzlemsel moleküllerin oluşumu aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Burada sp3 hibridizasyonunda olduğu gibi ilk adım uyarılmadır. İkinci aşamada hibridizasyona bir 2s ve iki 2p yörüngesi katılarak üç tane oluşur. Sp 2 -hibrit Orbitaller aynı düzlemde birbirlerine 120° açı yapacak şekilde yerleştirilmiştir.

Üç sp2 hibrit yörüngenin oluşumu

Bir p-orbital melezlenmemiş olarak kalır ve sp2 hibrit yörüngelerinin düzlemine dik olarak yerleştirilir. Daha sonra (üçüncü adım), iki karbon atomunun iki sp2 hibrit yörüngesi, kovalent bir bağ oluşturmak için elektronları birleştirir. Bir atomun çekirdeğini birleştiren bir çizgi boyunca iki atomik yörüngenin üst üste binmesi sonucu oluşan böyle bir bağa denir. σ-bağı.

Etilen molekülünde sigma ve pi bağlarının oluşumu

Dördüncü aşama, iki karbon atomu arasında ikinci bir bağın oluşmasıdır. Bağ, melezleşmemiş 2p yörüngelerinin birbirine bakan kenarlarının üst üste binmesi sonucu oluşur ve denir. π bağı. Yeni moleküler yörünge, σ bağının üstünde ve altında π bağı elektronları tarafından işgal edilen iki bölgenin birleşimidir. Her iki bağ (σ ve π) birlikte oluşur çift bağ karbon atomları arasındadır. Ve son olarak, son beşinci adım, geri kalan dört sp2 hibrit yörüngesinin elektronlarını kullanarak karbon ve hidrojen atomları arasında bağların oluşmasıdır.

Etilen molekülündeki çift bağ

Üçüncü ve son hibridizasyon türü, üçlü bağ içeren en basit molekül olan asetilen molekülü örneğiyle gösterilmektedir. İlk adım, daha önce olduğu gibi atomu uyarmaktır. İkinci aşamada, iki tane oluşumu ile bir 2s ve bir 2p yörüngesinin melezleşmesi meydana gelir. Sp-hibrit 180° açıyla konumlanmış yörüngelerdir. Ve iki π bağının oluşumu için gerekli olan iki 2p yörüngesi değişmeden kalır.

İki sp hibrit yörüngenin oluşumu

Bir sonraki adım, sp-melezleşmiş iki karbon atomu arasında bir σ bağının oluşmasıdır, ardından iki π bağı oluşur. İki karbon atomu arasındaki bir σ bağı ve iki π bağı birlikte oluşur üçlü bağ. Son olarak iki hidrojen atomu ile bağlar oluşur. Asetilen molekülü doğrusal bir yapıya sahiptir, dört atomun tümü aynı düz çizgi üzerinde yer alır.

Organik kimyadaki üç ana moleküler geometri tipinin, karbon atomu yörüngelerinin çeşitli dönüşümlerinin bir sonucu olarak nasıl ortaya çıktığını gösterdik.

Bir moleküldeki çeşitli atomların hibridizasyon tipini belirlemek için iki yöntem önerilebilir.

Yöntem 1. Her molekül için uygun olan en genel yöntem. Bağ açısının hibridizasyona bağımlılığına dayanarak:

a) 109,5°, 107° ve 105° bağ açıları sp3 hibridizasyonunu belirtir;

b) yaklaşık 120° -sp2-hibridizasyonun bağ açısı;

c) bağ açısı 180°-sp hibridizasyon.

Yöntem 2. Çoğu organik molekül için uygundur. Bağ tipi (tek, çift, üçlü) geometri ile ilişkili olduğundan, belirli bir atomun hibridizasyon tipini bağların doğasına göre belirlemek mümkündür:

a) tüm bağlantılar basittir – sp3-hibridizasyon;

b) bir çift bağ – sp2-hibridizasyon;

c) bir üçlü bağ - sp-hibridizasyonu.

Hibritleme, sıradan (enerji açısından en uygun) atomik yörüngeleri, geometrisi moleküllerin deneysel olarak belirlenen geometrisine karşılık gelen yeni yörüngelere dönüştürmenin zihinsel işlemidir.

Devam. Başlangıca bakın № 15, 16/2004

Ders 5. Hibridizasyon
karbon atomu yörüngeleri

Kovalent bir kimyasal bağ, aşağıdaki gibi paylaşılan bağ elektron çiftleri kullanılarak oluşturulur:

Kimyasal bir bağ oluşturun, yani. Yalnızca eşlenmemiş elektronlar, başka bir atomdan gelen "yabancı" bir elektronla ortak bir elektron çifti oluşturabilir. Elektronik formüller yazarken, eşleşmemiş elektronlar birer birer yörünge hücresine yerleştirilir.
Atomik yörünge atom çekirdeği etrafındaki uzaydaki her noktadaki elektron bulutunun yoğunluğunu tanımlayan bir fonksiyondur.
Elektron bulutu, uzayda bir elektronun yüksek olasılıkla tespit edilebildiği bir bölgedir. R Karbon atomunun elektronik yapısını ve bu elementin değerini uyumlu hale getirmek için karbon atomunun uyarılma kavramları kullanılır. Normal (uyarılmamış) durumda, karbon atomunda iki eşleşmemiş 2 bulunur. S 2 elektron. R Uyarılmış bir durumda (enerji emildiğinde) 2'den biri

2 elektron serbest kalabilir S 2 2S 2 2P-orbital. Daha sonra karbon atomunda dört eşleşmemiş elektron belirir: S Ve R elektron bulutunun (yörünge) şeklini gösterir ve harflerin sağ üstündeki sayılar belirli bir yörüngedeki elektron sayısını gösterir. Tüm S-küresel yörüngeler:

2 hariç ikinci enerji seviyesinde S-üç tane yörünge var 2 R-orbitaller. Bu 2 R Yörüngeler dambıllara benzer şekilde elipsoidal bir şekle sahiptir ve uzayda birbirine 90° açıyla yönlendirilmiştir. 2 R-Orbitaller 2'yi gösterir piksel, 2ey ve 2 p z bu yörüngelerin bulunduğu eksenlere göre.

Bu - sp 3 -hibridizasyon.
Hibridizasyon– atomik yörüngelerin hizalanması (karıştırılması) ( S Ve R) adı verilen yeni atomik yörüngelerin oluşumuyla hibrit yörüngeler.

Hibrit yörüngeler, bağlı atoma doğru uzatılmış asimetrik bir şekle sahiptir. Elektron bulutları birbirini iter ve uzayda birbirlerinden mümkün olduğunca uzakta bulunurlar. sp 3-hibrit yörüngeler Bu durumda dört eksen
tetrahedronun (düzenli üçgen piramit) köşelerine doğru yönlendirildiği ortaya çıktı.
Buna göre bu yörüngeler arasındaki açılar tetrahedral olup 109°28"'e eşittir. Elektron yörüngelerinin köşeleri diğer atomların yörüngeleriyle örtüşebilir. Elektron bulutları atomların merkezlerini birleştiren bir çizgi boyunca örtüşüyorsa, böyle bir kovalent bağ denir. sigma()-bağlantısı sp. Örneğin, C2H6 etan molekülünde, iki karbon atomu arasında iki hibrit yörüngenin üst üste binmesiyle kimyasal bir bağ oluşur. Bu bir bağlantıdır. Ayrıca karbon atomlarının her biri üç S 3-orbitaller örtüşüyor

Üç hidrojen atomunun yörüngeleri, üç bağ oluşturur. sp Toplamda, bir karbon atomu için farklı hibridizasyon türlerine sahip üç değerlik durumu mümkündür. Hariç sp 2 - ve sp-hibridizasyon.
sp 2 -Hibridizasyon 3-hibridizasyon mevcut S- ve iki R- birini karıştırmak sp-orbitaller. Sonuç olarak üç melez oluşur sp 2 -orbitaller. X, en Bunlar
R 2-orbitaller aynı düzlemde bulunur (eksenlerle birlikte) sp) ve yörüngeler arasında 120°'lik bir açıyla üçgenin köşelerine yönlendirilir. Hibritlenmemiş z). Üst yarı R-Yörünge üç hibritin düzlemine diktir.
2-orbitaller (eksen boyunca yönlendirilmiş sp-Yörüngeler düzlemin üstünde, alt yarısı ise düzlemin altındadır. R Tip

Yanal örtüşmenin oluşturduğu kovalent bağ R Komşu karbon atomlarının yörüngelerine denir pi()-bağlantısı.

Eğitim
-iletişim

Daha az yörünge örtüşmesi nedeniyle -bağ -bağdan daha az güçlüdür.
sp-Hibridizasyon– bu bir şeyin karıştırılmasıdır (şekil ve enerjinin hizalanması). S- ve bir
R-iki hibrit oluşturacak yörüngeler sp-orbitaller. sp-Yörüngeler aynı çizgi üzerinde (180° açıyla) bulunur ve karbon atomunun çekirdeğinden zıt yönlere yönlendirilir. İki
R-orbitaller melezleşmeden kalır. Karşılıklı olarak dik olarak yerleştirilirler
bağlantı yönleri. resimde sp-yörüngeler eksen boyunca gösterilmiştir sen ve melezleşmemiş iki
R-orbitaller – eksenler boyunca X Ve z.

Bir karbon-karbon üçlü bağı CC, üst üste bindirilerek oluşturulan bir -bağdan oluşur
sp-hibrit yörüngeler ve iki -bağ.
Karbon atomunun bağlı grupların sayısı, hibridizasyon türü ve oluşan kimyasal bağ türleri gibi parametreleri arasındaki ilişki Tablo 4'te gösterilmektedir.

Tablo 4

Kovalent karbon bağları

Grup sayısı ilgili karbonlu	Tip hibridizasyon	Türler katılan kimyasal bağlar	Bileşik formül örnekleri
4	sp 3	Dört - bağlantılar
3	sp 2	Üç - bağlantılar ve tek bağlantı
2	sp	İki - bağlantılar ve iki bağlantı	H–CC–H

Egzersizler.

1. Hangi atom elektronlarına (örneğin karbon veya nitrojen) eşleşmemiş denir?

2. Kovalent bağa sahip bileşiklerde (örneğin CH 4) "paylaşılan elektron çiftleri" kavramı ne anlama gelir? veya H2S )?

3. Atomların hangi elektronik durumları (örneğin, C) veya N ) temel olarak adlandırılır ve hangileri heyecanlıdır?

4. Bir atomun elektronik formülündeki sayılar ve harfler ne anlama gelir (örneğin, C) veya N )?

5. Atomik yörünge nedir? C atomunun ikinci enerji seviyesinde kaç tane yörünge vardır? ve bunlar nasıl farklılık gösteriyor?

6. Hibrit yörüngeler, oluştukları orijinal yörüngelerden nasıl farklıdır?

7. Karbon atomu için ne tür hibridizasyonlar bilinmektedir ve bunlar nelerden oluşur?

8. Karbon atomunun elektronik durumlarından birine ait yörüngelerin uzaysal düzenlemesinin bir resmini çizin.

9. Hangi kimyasal bağlara denir ve ne?-Belirt-Ve

10. bağlantılardaki bağlantılar:

Aşağıdaki bileşiklerin karbon atomları için şunları belirtin: a) hibridizasyon tipi; b) kimyasal bağlarının türleri; c) bağ açıları.

Konu 1 için alıştırmaların cevapları

1. Ders 5 Bir yörüngede birer birer bulunan elektronlara denir. eşleşmemiş elektronlar

2. . Örneğin, uyarılmış bir karbon atomunun elektron kırınım formülünde dört eşlenmemiş elektron vardır ve nitrojen atomunda üç tane bulunur: Bir kimyasal bağın oluşumunda rol oynayan iki elektrona denir.. Tipik olarak, bir kimyasal bağ oluşmadan önce, bu çiftteki elektronlardan biri bir atoma, diğer elektron ise başka bir atoma aitti:

3. Elektron yörüngelerini doldurma sırasının gözlemlendiği bir atomun elektronik durumu: 1 S 2 , 2S 2 , 2P 2 , 3S 2 , 3P 2 , 4S 2 , 3D 2 , 4P 2 vb. denir temel durum. İÇİNDE heyecanlı durum

atomun değerlik elektronlarından biri daha yüksek enerjiye sahip bir serbest yörüngeyi işgal eder; böyle bir geçişe eşleştirilmiş elektronların ayrılması eşlik eder. Şematik olarak şu şekilde yazılmıştır:

5. Temel durumda sadece iki eşleşmemiş değerlik elektronu varken, uyarılmış durumda dört tane elektron vardır. S, 2Atomik yörünge, belirli bir atomun çekirdeği etrafındaki uzaydaki her noktadaki elektron bulutunun yoğunluğunu tanımlayan bir fonksiyondur. Karbon atomunun ikinci enerji seviyesinde dört yörünge vardır - 2, 2ey, 2p z piksel
. Bu yörüngeler farklıdır: S a) elektron bulutunun şekli ( R- top,
– dambıl); R B) Yörüngelerin uzayda karşılıklı dik eksenler boyunca farklı yönelimleri vardır., sen Ve z X Atomik yörünge, belirli bir atomun çekirdeği etrafındaki uzaydaki her noktadaki elektron bulutunun yoğunluğunu tanımlayan bir fonksiyondur. Karbon atomunun ikinci enerji seviyesinde dört yörünge vardır - 2, ey, p z.

6. , onlar belirlenmiş S Hibrit yörüngeler, şekil ve enerji bakımından orijinal (hibrit olmayan) yörüngelerden farklıdır. Örneğin, R-orbital – küre şekli, sp– simetrik sekiz rakamı,
-hibrit yörünge – asimetrik sekiz rakamı. Enerji farklılıkları:(S) < Enerji farklılıkları:(sp) < Enerji farklılıkları:(R e sp). S- Böylece, P-orbital – orijinalin karıştırılmasıyla elde edilen, şekil ve enerji açısından ortalaması alınan bir yörünge

7. Ve sp 3 , sp-orbitaller. sp (Bir karbon atomu için üç tür hibridizasyon bilinmektedir:).

9. 2 ve
5. ders metnine bakın R-bağ - atomların merkezlerini birleştiren bir çizgi boyunca yörüngelerin kafa kafaya örtüşmesiyle oluşan bir kovalent bağ.
-bağ – yanal örtüşmeyle oluşan bir kovalent bağ