Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

☢ SP-гибридизация атомных орбиталей

Main page / Живомордность / ☢ SP-гибридизация атомных орбиталей

Содержание

    Любые модели внутриатомного устройства будут иметь 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 — они бы непрерывно теряли энергию и практически моментально упали бы на ядро — это следует из простых законов макро-мира. 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» вещества 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 — об этом будет написано в последующих атомных главах. 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 воробей может жить только как единый организм, и на одной ветке может уместиться три или восемь воробьев, но никак не пять восьмых воробья или три четверти.

    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 те или иные гипотезы, теории, которые обязательно должны быть затем проверены на эксперименте, чтобы убедиться, что в своей манипуляции моделями мы не зашли слишком далеко, не пересекли тех границ, которые есть у каждой модели.

    Понимая все вышесказанное, ты поймешь и то, что как только физики столкнулись с некоторой странностью поведения s— и p-орбиталей, они вынужденно внесли дополнительные элементы в свою атомную модель. Странности были обнаружены следующие.

    Рассмотрим молекулу, являющуюся соединением бериллия и хлора: BeCl2. Электронная формула бериллия: 1s22s2, то есть на внешнем уровне у бериллия есть два s-электрона. Электронная формула хлора: 1s22s22p63s23p5, то есть хлору нужен один электрон для завершения внешней пары s-p-оболочек.

    Если один из внешних s-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 образовывать обобществленные электронные пары с другими атомами). 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 своей форме и прочим свойствам с парой, образованной p-электроном бериллия и p-электроном хлора. Опыты обнаружили, что этой разницы на самом деле нет и обе связи 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 образовал общую пару с хлором — s-электрон или p-электрон.

    Таким образом, в нашей модели обнаружилась брешь, и теперь её надо уточнять, вводя новые сучности, которые помогли бы вновь привести модель атома к такому виду, который позволял бы объяснять и предсказывать экспериментально наблюдаемые явления. Такой новой сущностью и стала идея «гибридизации» s- и p-орбиталей.

    sp

    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 прекратили свое независимое друг от друга существование. Каким-то странным образом они смешались между собой, образовав при этом две новые орбитали совершенно особой, «гибридной» формы. Вместо одной гантели и одной сферы получилось две одинаковые орбитали, представляющие собой некий гибрид — см. на рисунке слева.

    Image1384

    На каждой такой гибридной гантеле 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 электронный вид внешних оболочек атома бериллия выглядит так, как на этой картинке — напротив друг друга. Это и называется «sp-гибридизацией» ( sp hybridization [əs pi haɪbrɪdaɪ’zeɪʃən] ). Соответственно вся молекула BeCl2 будет иметь линейную форму, так как атомы хлора будут присоединяться к атому бериллия в концевых точках толстых концов гибридных орбиталей.

    sp2

    Дальнейшее развитие этой модели несложно. Если бы центральный атом молекулы содержал не 2, а 3 валентных (то есть готовых к спариванию и обобществлению) электрона, то образовались бы не две, а уже 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«. Валентные орбитали центрального атома, таким образом, 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.

    тетр

    sp3

    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«.

    Methane

    Валентные орбитали центрального атома, таким образом, 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, молекула метана CHимеет именно такую форму (см. слева).

    транс

    Необходимо запомнить, что число гибридных орбиталей всегда равно числу исходных орбиталей, подвергшихся гибридизации. Это довольно очевидно: если мы возмем, скажем, три мальчика, решивших поменять пол, и одну девочку, которая тоже решилась на это, то мы в итоге получим три девочки, которые, однако, будут не очень похожи на привычных нам девочек, и одного мальчика, который также будет не очень похожим на привычных нам мальчиков. То есть число людей, которые были до операции и которые есть после операции, осталось неизменным, в то время как их внешний вид можно будет охарактеризовать единым признаком «непохожие на других, не подвергшихся операции».

    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.

    h2o-105

    Но возьмем теперь для примера уже давно знакомую нам молекулу воды. Электронная формула кислорода: 1s22s22p4. На внешних 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. Один электрон образует ковалентную связь с одним атомом водорода, другой — с другим, и у всех трех атомов внешние уровни становятся заполненными. Но посмотрим теперь снова на атом кислорода. Ведь на внешних подуровнях у него остались теперь еще четыре электрона, по два на каждом подуровне: два на s-подуровне и два на p-подуровне. То есть атом кислорода сейчас представляет собою такую картину на внешних подуровнях: две пары собственных, необобществленных электронов, и две пары обобществленных, что и отражено на схеме слева. 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 обычные электроны, которые в ковалентной связи не участвуют, а просто болтаются на своем подуровне.

    Оказывается, что нековалентные электроны отталкиваются сильнее. Можно сказать то же самое несколько другими словами: неподеленная электронная пара занимает больший объем, чем пара электронов на орбитали, участвующей в образовании ковалентной связи. Это явление можно попытаться как-то объяснить так, чтобы оно стало интуитивно понятным. Нековалентные электроны болтаются далеко от атомов водорода, и на них оказывает влияние только ядро кислорода. Ковалентно связанные же электроны кислорода находятся в поле действия сразу двух ядер — водорода и кислорода, таким образом у них просто меньше свободы, они более сжаты. 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.

    В том случае, если в ковалентной связи принимают участие не только s- и p-электроны, но и d-электроны, то ситуация не изменяется: все они подвергаются гибридизации, только конфигурация гибридных орбиталей становится еще более сложной. Для демонстрации процессов гибридизации можно посмотреть этот анимированный ролик.

    (Автор статьи: Бодх)