4. Гібридизація атомних орбіталей і геометрична форма молекули

Згідно з концепцією гібридизації, взаємне перекривання електронних хмар може призвести до різкої зміни самої їх форми. Це явище називають гібридизацією (лат. hibrida – суміш). Тоді хімічні зв’язки, які їм відпові-дають, називаються гібридними.

Як приклад, розглянемо будову молекули метану СН₄. Атом Карбону, що входить до складу молекули, знаходиться у збудженому стані (його по-значення: C*). У цьому стані він містить три неспарених р-електрони: 2р_х, 2р_у, 2р_z, а також 1 неспарений s-електрон: 2s¹.

Вказані р-орбіталі атома Карбону з орбіталями атомів Гідрогену утво-рюють три sp-зв’язки і один ss-зв’язок.

За формою хмари і за запасом енергії s-електрон відрізняється від р-електронів. Звичайно, можна було б очікувати, що зв’язки sp за міцністю і енергією будуть яко-юсь мірою відрізнятися від зв’яз-ку ss. Однак дослід показує, що всі чотири зв’язки в молекулі CH4

Рис. 16. Схема утворення молекули CH4

зовсім рівноправні, це все -зв’язки (рис. 16).

Відповідно до концепції гібридизації, цей факт пояснюється таким чином: з однієї s-хмари і 3p-хмар утворюються чотири зовсім однакових між собою за формою і енергією гібридні орбіталі. Вони не схожі ні на s-, ні на р-орбіталі, окремо взяті. Тож якщо гібридизується 1s-орбіталь і 1р-орбіталь, то утворюються два гібриди, які мають форму асиметричної ган-телі (грушеподібна хмара). Таке своєрідне розподілення електронної гус-тини навколо ядра сприяє більш сильнішому перекриванню з електронни-ми хмарами атомів-партнерів, ніж звичайні s і p-хмари. Це дає енерге-тично більш вигідний і, як наслідок, більш міцний хімічний зв’язок.

На рис. 17 схематично показано утворення чо-тирьох sp3-гібридних орбіталей у молекулі СН4. Гібридні хмари, які однойменно заряджені електро-статичними силами, відштовхуються на макси-мальну відстань одна до одної. При наявності чо-тирьох орбіталей (як в молекулі CH4) вони розмі-
	Рис. 17. s-зв’язки в молекулі СН4

щуються під кутом 109,5° одна від одної.

Це свідчить про те, що електронні орбіталі атома Карбону спрямовані до вершин тетраедра, а ядро атома Карбону знаходиться в центрі. Таким чином, молекула СH₄ за своєю конфігурацією є тетраедром з атомами Гідрогену по вершинах (рис. 18).

Чотири -зв’язки утворюються за рахунок s- і р-хмар С і Н (рівноцінні зв’язки С–Н).

а

б в

Рис. 18. sp³ – гібридизація : а – орбіталі s і р, представлені кожна окремо; б – накладання орбіталей; в – їх взаємна гібридизація.

У залежності від числа, виду орбіталей, що взаємодіють, розрізняють декілька видів гібридизації. В молекулі метану “перероджувались” 3р- і 1s-орбіталь (рис. 19). Такий випадок називають sp³-гібридизацією. Він характерний для молекул NH₃ і Н₂О.

а	б

Рис. 19. Молекула СН₄: а – перетинання sp³ і s-орбіталей в молекулі;

б – геометрія молекули (її тетраедрична форма).

Розглянемо деякі види гібридизації.

sp-гібридизація. У цьому випадку “перероджується” 1s і 1р-орбіталь (рис. 20). При цьому виникають дві гібридні sp-орбіталі, які розміщуються на одній прямій; кут між їх напрямками дорівнює 180. Приклад: бери-лій(II) хлорид – ВеCl₂. Хімічні -зв’язки утворюються двома гібридизова-ними sp-орбіталями Берилію і негібридизованими p-орбіталями атомів Хлору. Два зв’язки (Ве-Сl) спрямовані взаємно протилежно. Хоча кожний з них полярний, але молекула в цілому неполярна (дипольні моменти утво-рюють кут 180, їх векторна сума дорівнює нулю). Молекула ВеСl₂ має лінійну форму Cl–Be–Cl.

а

б в

Рис. 20. sp-гібридизація: а – окремо взяті р-орбіталі;

б – їх накладка; в – гібридизація орбіталей

sp²-гібридизація. Гібридизуються 1s і 2р-орбіталі, які розміщуються в одній площині (рис. 21а). Гібридизація проявляється під час утворення сполук, наприклад, ВСl₃. Напрямок ковалентних зв’язків у молекулі також знаходиться під кутом 120° і молекула бор(III) хлорид має форму плоского трикутника (рис. 21б). Усі три зв’язки лежать в одній площині. Хоча кожен із них (В ® Сl) полярний, але дипольні моменти зв’язків взаємно компенсуються, їх векторна сума дорівнює нулю і молекула ВСl₃ у цілому неполярна.

а	б
Рис. 21. Молекула ВСl3: а – гібридні sp2-орбіталі; б – геометрія молекули (“зірочка”)

В основі молекули SO₃ також лежить sp²-гібридизація валентних орбі-талей. Молекула має форму трикутника, розташованого в одній площині.

Крім розглянутих можливі й інші типи гібридизації валентних орбі-талей, які ґрунтуються на просторовій конфігурації (геометрії) молекул.