Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

Гибридизация s-p-орбиталей

Main page / Генетика XXII века / Раздел 2. АТОМЫ, АТОМНЫЕ ОБОЛОЧКИ / Гибридизация s-p-орбиталей

Содержание

    Любые модели внутриатомного устройства имеют свои ограничения. В чем-то они будут достаточно точно предсказывать свойства атомов и молекул, а в чем-то — нет, и это неизбежно. Самая простая модель атома — планетарная, где электроны, изображаемые в виде шариков, летают по выделенным орбитам вокруг ядра, поэтому именно эту модель мы и выбрали в качестве базовой.

    Для того, чтобы эта модель соответствовала экспериментально наблюдаемой реальности, нам приходится начинать введение дополнительных её аспектов. К примеру, летающие вокруг ядра шарики-электроны не смогли бы образовывать стабильных атомов по простой причине: движение по окружности — это движение с ускорением, а значит электроны-шарики должны были бы непрерывно терять энергию, и поэтому они моментально упали бы на ядро. Но атомы стабильны, поэтому в планетарную модель атома было добавлено дополнительное условие, состоящее в том, что вокруг ядра имеются выделенные орбиты, на которых положение электронов устойчиво, и они не теряют энергию, двигаясь по ним. Также было выяснено, что на каждой орбитали могут одновременно находиться максимум два электрона, в то время как вокруг планеты по одной и той же орбите могут вращаться хоть миллион спутников. Отсюда появилось еще одно дополнение к модели атома. И так далее. Ситуация отягощается тем, что электрон не является просто «частицей» в понятном нам бытовом смысле. При определенных экспериментах электрон проявляет себя как волна, совмещая, таким образом, в себе как свойства частицы, так и свойства волны. Понимание волновой природы электрона делает интуитивно понятными некоторые аспекты планетарной модели атома. Например, становится понятным, почему вокруг ядра нет бесконечного количества возможных орбит, а есть лишь те, на которых длина волны укладывается целое число раз. Это интуитивно понятно, ведь собака может жить только как единый организм, и на одной полке может вытянуться в длину одна или две или восемь собак — смотря какая длина полки, но там никак не может жить пять восьмых собаки или пять четвертей. Так и электромагнитную волну мы не можем произвольно обрезать и всунуть на орбиту, длина которой меньше, чем длина волны, поэтому и существует самая близкая к ядру орбита электрона, и ближе к ядру электрон сместиться просто не может – этого не позволит ему сделать присущая ему длина волны, которая просто не сможет целиком уложиться на более близкой к ядру орбите.

    Границы применения тех или иных моделей атома корректируются экспериментами, а не вытекают из внутренней логики той или иной модели. В том-то и суть модели, что она лишь приближенно описывает некоторую часть реальности, лишь помогает нам приблизиться к интуитивному пониманию реально протекающих процессов, и таким образом помогает нам создавать гипотезы, теории, которые обязательно должны быть затем проверены на эксперименте, чтобы убедиться, что в своей манипуляции моделями мы не зашли слишком далеко, что мы не пересекли тех границ применимости, которые есть у каждой модели.

    Поэтому, как только физики столкнулись с некоторой странностью свойств s- и p-орбиталей, они вынужденно внесли дополнительные элементы в свою атомную модель. И вот что они нашли.

    Рассмотрим молекулу, являющуюся соединением бериллия и хлора: BeCl₂. Электронная формула бериллия: 1s²2s², то есть на внешнем уровне у него два s-электрона. Электронная формула хлора: …3s²3p⁵, то есть ему, в соответствии с правилом октета, нужен один электрон для завершения внешней пары подуровней. Если один из 2s-электронов бериллия придет в возбужденное состояние и перепрыгнет на 2p-подуровень, то бериллий будет иметь два неспаренных электрона, каждый из которых готов объединиться в пару с единственным неспаренным электроном атома хлора (ведь у хлора на трёх внешних p-орбиталях может поместиться максимум 6 электронов, а их там пять, значит один из электронов на одной из p-орбиталей болтается в неспаренном виде и может образовать обобществленную электронную пару с электроном другого атома).

    Значит для образования устойчивой молекулы мы можем взять два атома хлора, и таким образом и получим BeCl₂. В этой молекуле один атом хлора образует общую электронную пару с s-электроном бериллия, а другой атом хлора — с p-электроном бериллия. И все было бы хорошо, если бы не одно «но». Согласно нашей модели, пара, образуемая s-электроном бериллия и p-электроном хлора, очевидно должна отличаться по своим свойствам от пары, образованной p-электроном бериллия и p-электроном хлора. Но опыты обнаружили, что этой разницы нет, и обе пары совершенно идентичны друг другу: каждый атом хлора находится на одинаковом расстоянии от атома бериллия в получившейся молекуле, прочности этих связей одинаковы, и оба атома хлора находятся по обе стороны от бериллия. То есть если вот так со стороны посмотреть, то никогда не скажешь — какой именно электрон бериллия образовал общую пару с конкретным хлором — s-электрон или p-электрон.

    Таким образом, в модели атома обнаружилось несовершенство, и теперь её надо уточнять, чтобы вновь привести её к такому виду, который позволял бы объяснять и предсказывать экспериментально наблюдаемые явления. Таким новым элементом модели и стала идея «гибридизации» s- и p-орбиталей. В рамках данной гипотезы постулируется (то есть вводится как факт), что когда возбужденный s-электрон перепрыгнул на p-подуровень и занял свое место на одной из p-орбиталей и стал, таким образом, p-электроном, в этот самый момент отдельная s-орбиталь и отдельная p-орбиталь образовали две совершенно идентичные орбитали особой, «гибридной» формы. Вместо одной гантели и одной сферы получилось две одинаковые орбитали, представляющие собой некий гибрид.

    На каждой такой гибридной гантели в молекуле BeCl₂ размещается один электрон, и поскольку электроны заряжены отрицательно и отталкиваются друг от друга, то районы максимальной вероятности нахождения электронов находятся максимально далеко друг от друга, поэтому и внешние электронные оболочки атома бериллия теперь выглядят соответственно:

    Этот процесс возникновения таких орбиталей нового типа и называется «sp-гибридизацией». Соответственно вся молекула BeCl₂ будет иметь линейную форму, так как атомы хлора будут своими р-орбиталями присоединяться к атому бериллия в концевых точках толстых концов гибридных орбиталей.

    Дальнейшее развитие этой модели несложно. Если бы центральный атом молекулы содержал не два, а три валентных (то есть готовых к спариванию и обобществлению) электрона, то образовались бы не две, а три гибридных орбитали такой же формы, и толстые концы их (то есть места наибольшей вероятности нахождения электрона) также старались бы удалиться друг от друга как можно дальше в силу электрического отталкивания электронов. Такая форма гибридизации называется «sp2-гибридизацией». При sp2-гибридизации происходит следующее: одна s-орбиталь и две p-орбитали гибридизируются, т.е. взаимодействуют сложным образом, так что в итоге появляется три гибридных орбитали. Электроны, находящиеся на гибридных орбиталях, отталкиваются друг от друга, поэтому валентные орбитали центрального атома будут расположены в виде равностороннего треугольника, и ковалентно связанные с этим атомом другие атомы будут присоединяться к нему в концевых точках толстых концов гибридных орбиталей, а значит и вся молекула целиком будет иметь форму равностороннего треугольника.

    Если бы центральный атом молекулы содержал не 3, а 4 валентных электрона, то образовались бы не три, а уже четыре гибридных орбитали такой же формы, и толстые концы их также старались бы удалиться друг от друга как можно дальше. Такая форма гибридизации называется «sp3-гибридизацией». Валентные орбитали такого атома будут расположены в виде правильного тетраэдра, и ковалентно связанные с этим атомом другие атомы будут присоединяться к нему в концевых точках толстых концов гибридных орбиталей, а значит и вся молекула целиком будет иметь форму тетраэдра. Например, такую форму имеет молекула метана CH₄

    Необходимо помнить, что число гибридных орбиталей всегда равно числу исходных орбиталей, подвергшихся гибридизации.

    Теперь можно рассмотреть немного более сложный случай. До сих пор мы рассматривали ситуацию, когда все внешние электроны центрального атома (то есть все электроны внешних s-p-подуровней) приняли участие в образовании ковалентных связей. В результате одинакового взаимного отталкивания электронов, находящихся на гибридных орбиталях, молекулы приобретают или линейную форму, или форму равностороннего треугольника или правильного тетраэдра. Это просто. Но возьмем теперь для примера уже давно знакомую нам молекулу воды. Электронная формула кислорода: 1s²2s²2p⁴. На внешних s-p-подуровнях мы имеем 6 электронов, и значит кислороду нужно получить еще два обобществленных электрона до завершения своей внешней электронной оболочки. А значит два электрона из имеющихся внешних шести могут образовать пары с какими-то другими атомами, например с атомами водорода. Один р-электрон кислорода образует ковалентную связь с электроном одного водорода, и другой р-электрон кислорода — с электроном другого водорода. Теперь у всех трех атомов внешние уровни становятся заполненными. Но после того, как два р-электрона кислорода образовали пары с электронами водорода, у кислорода на его внешних подуровнях остались еще четыре электрона: одна пара электронов на 2s-подуровне, и вторая пара на 2p-подуровне — итого 4. То есть атом кислорода сейчас представляет собою такую картину на внешних подуровнях: две пары собственных, необобществленных электронов, и две пары обобществленных:

    Получается, что молекула воды имеет конфигурацию тетраэдра. В двух вершинах этого тетраэдра находятся атомы водорода, и а остальных двух – неподеленные электронные пары кислорода.

    И тут вступает в силу некоторое различие между тем — насколько сильно друг от друга отталкиваются ковалентные электроны (то есть принявшие участие в ковалентной связи), и те электроны, которые в ковалентной связи не участвуют, а просто болтаются на своих подуровнях. Оказывается, что нековалентные электроны отталкиваются сильнее. Можно сказать то же самое несколько другими словами: неподеленная электронная пара занимает больший объем, чем пара электронов, участвующих в образовании ковалентной связи. Это можно попытаться как-то проиллюстрировать, сделать интуитивно понятным. Нековалентные электроны кислорода болтаются далеко от атомов водорода, и на них оказывает влияние только ядро кислорода. Ковалентно связанные электроны кислорода находятся в поле действия сразу двух ядер — водорода и кислорода, и таким образом у них просто меньше свободы, они более скованы. Поэтому так и получается, что неподеленная пара занимает больше пространства вокруг атома, чем поделенная, и из-за этого молекула воды имеет форму неправильного тетраэдра: атомы водорода в ней сближены больше, чем это было бы в правильном тетраэдре. И это приводит к тому, что дипольная природа молекулы воды становится гораздо сильнее выраженной, чем это было бы, если бы молекула воды была бы правильным тетраэдром, ведь из-за влияния неподеленных электронных пар атомы водорода отодвинуты от атома кислорода немного дальше, и они держатся немного кучнее, делая более плотным свой частичный положительный электрический заряд.

    В том случае, если в ковалентной связи принимают участие не только s- и p-электроны, но и d-электроны, ситуация не изменяется: все они подвергаются гибридизации, только конфигурация получающихся гибридных орбиталей становится еще более сложной.

    В интернете легко найти ролики с анимированными изображениями гибридизации атомных орбиталей.