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 σχηματίζει σε πολυατομικά μόρια με τους ίδιους συνδέτες αποδεικνύονται ισοδύναμοι σε ενέργεια και χωροταξικά χαρακτηριστικά.
Οι έννοιες του υβριδισμού είναι κεντρικές στη μέθοδο του δεσμού σθένους. Ο ίδιος ο υβριδισμός δεν είναι μια πραγματική φυσική διαδικασία, αλλά μόνο ένα βολικό μοντέλο που επιτρέπει σε κάποιον να εξηγήσει την ηλεκτρονική δομή των μορίων, ιδιαίτερα τις υποθετικές τροποποιήσεις των ατομικών τροχιακών κατά το σχηματισμό ενός ομοιοπολικού χημικού δεσμού, ιδίως την ευθυγράμμιση των μηκών των χημικών δεσμών και των γωνιών δεσμών 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. Ο πρώτος και πιο σημαντικός κανόνας διατυπώθηκε ως εξής:
«Τα ζεύγη ηλεκτρονίων υιοθετούν μια διάταξη στο κέλυφος σθένους ενός ατόμου στην οποία βρίσκονται όσο το δυνατόν πιο μακριά το ένα από το άλλο, δηλαδή τα ζεύγη ηλεκτρονίων συμπεριφέρονται σαν να απωθούνται αμοιβαία».Ο δεύτερος κανόνας είναι 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 κατευθύνσεις από τον πυρήνα του ατόμου άνθρακα. Τα δύο εναπομείναντα μη υβριδικά ρ-τροχιακά βρίσκονται σε αμοιβαία κάθετα επίπεδα και συμμετέχουν στο σχηματισμό δεσμών π ή καταλαμβάνουν μεμονωμένα ζεύγη ηλεκτρονίων.
υβριδισμός sp 2
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
υβριδισμός sp 3
Εμφανίζεται όταν ένα s- και τρία p-τροχιακά αναμειγνύονται, σχηματίζοντας τέσσερα sp3-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 sp3 κατευθύνονται προς τις κορυφές ενός κανονικού τετραέδρου. Η τετραεδρική γωνία μεταξύ τους είναι 109°28", που αντιστοιχεί στη χαμηλότερη ενέργεια απώθησης ηλεκτρονίων. Επίσης, τα τροχιακά sp3 μπορούν να σχηματίσουν τέσσερις δεσμούς σ με άλλα άτομα ή να γεμίσουν με μεμονωμένα ζεύγη ηλεκτρονίων.
Υβριδισμός και μοριακή γεωμετρία
Η έννοια του υβριδισμού των ατομικών τροχιακών βρίσκεται στη βάση της θεωρίας Gillespie-Nyholm για την απώθηση ζεύγους 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).
| Τύπος υβριδισμού | Αριθμός υβριδικά τροχιακά |
Γεωμετρία | Δομή | Παραδείγματα |
|---|---|---|---|---|
| sp | 2 | Γραμμικός | BeF 2 , CO 2 , NO 2 + | |
| sp 2 | 3 | Τριγωνικός |  |
BF 3, NO 3 -, CO 3 2- |
| sp 3 | 4 | Τετράεδρος |  |
CH4, ClO4-, SO42-, NH4+ |
| dsp 2 | 4 | Επίπεδο-τετράγωνο |  |
Ni(CO)4, XeF4 |
| sp 3 d | 5 | Εξαεδρικό |  |
PCl5, AsF5 |
| sp 3 d 2 | 6 | Οκτάεδρος |  |
SF 6, Fe(CN) 6 3-, CoF 6 3- |
Συνδέσεις
Βιβλιογραφία
- Pauling L.Η φύση του χημικού δεσμού / Μετάφρ. από τα Αγγλικά M. E. Dyatkina. Εκδ. καθ. Υ. Κ. Σύρκινα. - Μ.; L.: Goskhimizdat, 1947. - 440 p.
- Pauling L.Γενική χημεία. Ανά. από τα Αγγλικά - Μ.: Μιρ, 1974. - 846 σελ.
- Minkin V. I., Simkin B. Ya., Minyaev R. M.Θεωρία της μοριακής δομής. - Rostov-on-Don: Phoenix, 1997. - Σ. 397-406. - ISBN 5-222-00106-7
- Gillespie R.Γεωμετρία μορίων / Μετάφρ. από τα Αγγλικά E. Z. Zasorina and V. S. Mastryukov, επιμ. Yu. A. Pentina. - Μ.: Μιρ, 1975. - 278 σελ.
δείτε επίσης
Σημειώσεις
Ίδρυμα Wikimedia. 2010.
Ο sp-υβριδισμός συμβαίνει, για παράδειγμα, κατά τον σχηματισμό αλογονιδίων Be, Zn, Co και Hg (II). Στην κατάσταση σθένους, όλα τα αλογονίδια μετάλλων περιέχουν s και p μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια στο κατάλληλο ενεργειακό επίπεδο. 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» των δεσμών Ο-Η), η γωνία του δεσμού 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. Οι γωνίες μεταξύ των δεσμών Ν-Η δεν είναι ίσες με 90° όπως σε μια πυραμίδα, αλλά δεν είναι ίσες με 109,5°, που αντιστοιχούν σε ένα 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 των δεσμών Ο-Η στο γωνιακό μόριο του 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 ενώσεις όπως 4-, 4-. Σε αυτή την περίπτωση, το μόριο έχει μια οκταεδρική διαμόρφωση.
Τροχιακός υβριδισμός- ευθυγράμμιση ενέργειας και σχήμα τροχιακών.
Η ουσία της διαδικασίας υβριδισμού ατομικών τροχιακών είναι ότι ένα ηλεκτρόνιο κοντά στον πυρήνα ενός συνδεδεμένου ατόμου δεν χαρακτηρίζεται από ένα μεμονωμένο ατομικό τροχιακό, αλλά από έναν συνδυασμό ατομικών τροχιακών με τον ίδιο κύριο κβαντικό αριθμό. Αυτός ο συνδυασμός ονομάζεται υβριδικό τροχιακό. Ο υβριδισμός επηρεάζει μόνο τα ατομικά τροχιακά υψηλότερης και παρόμοιας ενέργειας που καταλαμβάνονται από ηλεκτρόνια.
Τα υβριδικά τροχιακά έχουν ασύμμετρο σχήμα, επιμήκη προς το συνδεδεμένο άτομο.
Άποψη ενός υβριδικού ατομικού τροχιακού που σχηματίζεται με ανάμιξη μικρό-Και Π-τροχιακά.
Τα νέφη ηλεκτρονίων απωθούν αμοιβαία και βρίσκονται στο διάστημα στη μέγιστη απόσταση μεταξύ τους, η οποία αντιστοιχεί στην ελάχιστη ενέργεια απώθησης διαηλεκτρονίων. Σε αυτήν την περίπτωση, οι άξονες των τεσσάρων υβριδικών τροχιακών sp 3 αποδεικνύεται ότι κατευθύνονται προς τις κορυφές του τετραέδρου (κανονική τριγωνική πυραμίδα) και οι γωνίες μεταξύ αυτών των τροχιακών είναι τετραεδρικές, ίσες με 109°28".
Ο τύπος του υβριδισμού καθορίζει τη γεωμετρία του μορίου ή του ιόντος.
Τύποι υβριδισμού
|
Τύπος υβριδισμού |
Συστατικά |
Γεωμετρικό σχήμα |
Γωνία μεταξύ των δεσμών |
Παραδείγματα |
| 1 μικρό-τροχιακό και 1 Π-τροχιάς |
γραμμικός |
|||
| 1 μικρό-τροχιακό και 2 Π-τροχιακά |
τριγωνικός |
|||
| 1 μικρό-τροχιακό και 3 Π-τροχιακά |
τετράεδρος |
|||
|
sp 3 ρε |
1 μικρό-τροχιακό, 3 Π-τροχιακά και 1 ρε-τροχιάς |
τριγωνικό-διπυραμιδικό |
||
|
sp 3 ρε 2 |
1 μικρό-τροχιακό, 3 Π-τροχιακά και 2 ρε-τροχιακά |
οκτάεδρος |
Οι κορυφές των τροχιακών ηλεκτρονίων μπορούν να επικαλύπτονται μεταξύ τους. Η επικάλυψη των νεφών ηλεκτρονίων κατά μήκος μιας γραμμής που διέρχεται από τα κέντρα των ατόμων ονομάζεται σίγμα (ϭ )-σύνδεση .
Ομοιοπολικός δεσμός που σχηματίζεται από πλευρική επικάλυψη R-τροχιακά γειτονικών ατόμων άνθρακα λέγονται πι (π )-σύνδεση .
Επειδή περιοχή της τροχιακής περιοχής επικάλυψης στο π - υπάρχει λιγότερη σύνδεση, τότε η ίδια η σύνδεση είναι λιγότερο ισχυρή από τη σύνδεση ϭ.
Ο ατομικός υβριδισμός τροχιάς είναι μια διαδικασία που μας επιτρέπει να κατανοήσουμε πώς τα άτομα τροποποιούν τα τροχιακά τους όταν σχηματίζουν ενώσεις. Λοιπόν, τι είναι ο υβριδισμός και ποιοι τύποι υπάρχουν;
Γενικά χαρακτηριστικά υβριδισμού ατομικών τροχιακών
Ο ατομικός τροχιακός υβριδισμός είναι μια διαδικασία κατά την οποία διαφορετικά τροχιακά ενός κεντρικού ατόμου αναμειγνύονται, με αποτέλεσμα το σχηματισμό τροχιακών με ίδια χαρακτηριστικά.
Ο υβριδισμός συμβαίνει κατά το σχηματισμό ενός ομοιοπολικού δεσμού.
Ένα υβριδικό τροχιακό έχει ένα μειονέκτημα ενός πρόσημου του απείρου ή ενός ασύμμετρου ανεστραμμένου αριθμού οκτώ, που εκτείνεται μακριά από τον ατομικό πυρήνα. Αυτή η μορφή προκαλεί ισχυρότερη επικάλυψη των υβριδικών τροχιακών με τα τροχιακά (καθαρά ή υβριδικά) άλλων ατόμων από ό,τι στην περίπτωση των καθαρών ατομικών τροχιακών και οδηγεί στο σχηματισμό ισχυρότερων ομοιοπολικών δεσμών.
Ρύζι. 1. Υβριδική τροχιακή εμφάνιση.
Η ιδέα του υβριδισμού των ατομικών τροχιακών προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Αμερικανό επιστήμονα L. Pauling. Πίστευε ότι ένα άτομο που εισέρχεται σε έναν χημικό δεσμό έχει διαφορετικά ατομικά τροχιακά (s-, p-, d-, f-τροχιακά), και ως αποτέλεσμα, συμβαίνει υβριδισμός αυτών των τροχιακών. Η ουσία της διαδικασίας είναι ότι τα ατομικά τροχιακά ισοδύναμα μεταξύ τους σχηματίζονται από διαφορετικά τροχιακά.
Τύποι ατομικού τροχιακού υβριδισμού
Υπάρχουν διάφοροι τύποι υβριδισμού:
- . Αυτός ο τύπος υβριδισμού συμβαίνει όταν ένα s τροχιακό και ένα p τροχιακό αναμιγνύονται. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζονται δύο πλήρεις τροχιακά sp. Αυτά τα τροχιακά βρίσκονται προς τον ατομικό πυρήνα με τέτοιο τρόπο ώστε η γωνία μεταξύ τους να είναι 180 μοίρες.
Ρύζι. 2. sp-υβριδισμός.
- υβριδισμός sp2. Αυτός ο τύπος υβριδισμού συμβαίνει όταν αναμιγνύονται ένα s τροχιακό και δύο p τροχιακά. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζονται τρία υβριδικά τροχιακά, τα οποία βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο σε γωνία 120 μοιρών μεταξύ τους.
- . Αυτός ο τύπος υβριδισμού συμβαίνει όταν αναμιγνύονται ένα s τροχιακό και τρία τροχιακά p. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζονται τέσσερα πλήρη τροχιακά sp3. Αυτά τα τροχιακά κατευθύνονται προς την κορυφή του τετραέδρου και βρίσκονται σε γωνία 109,28 μοιρών μεταξύ τους.
Ο υβριδισμός sp3 είναι χαρακτηριστικός πολλών στοιχείων, για παράδειγμα, του ατόμου άνθρακα και άλλων ουσιών της ομάδας IV (CH 4, SiH 4, SiF 4, GeH 4, κ.λπ.)
Ρύζι. 3. Υβριδισμός sp3.
Είναι επίσης δυνατοί πιο περίπλοκοι τύποι υβριδισμού που περιλαμβάνουν d-τροχιακά άτομα.
Τι μάθαμε;
Ο υβριδισμός είναι μια πολύπλοκη χημική διαδικασία κατά την οποία διαφορετικά τροχιακά ενός ατόμου σχηματίζουν πανομοιότυπα (ισοδύναμα) υβριδικά τροχιακά. Η θεωρία του υβριδισμού εκφράστηκε για πρώτη φορά από τον Αμερικανό L. Pauling. Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι υβριδισμού: sp-υβριδισμός, sp2-υβριδισμός, sp3-υβριδισμός. Υπάρχουν επίσης πιο περίπλοκοι τύποι υβριδισμού που περιλαμβάνουν d τροχιακά.
Δοκιμή για το θέμα
Αξιολόγηση της έκθεσης
Μέση βαθμολογία: 4.1. Συνολικές βαθμολογίες που ελήφθησαν: 315.
β – γωνία στρέψης μεταξύ επιπέδων που διέρχονται από τριάδες ατόμων 1, 2, 3 και 2, 3, 4.
Η γραμμική μορφή είναι χαρακτηριστική των διατομικών μορίων. Για να προβλέψουμε τη χωρική δομή ενός πολυατομικού μορίου, πρέπει να γνωρίζουμε όχι μόνο το μήκος του δεσμού, αλλά και τις τιμές του δεσμού και των γωνιών στρέψης.
Εάν το μόριο αποτελείται από τρία ή περισσότερα άτομα, δηλ. περιέχει δύο ή περισσότερους χημικούς δεσμούς και στη συνέχεια σχηματίζονται γωνίες μεταξύ των κατευθύνσεων τους (μέχρι 180 0)που ονομάζονται γωνίες δεσμού(ένα).
Γωνία στρέψης (β)– διεδρική γωνία μεταξύ δύο επιπέδων που διέρχονται από οποιεσδήποτε επιλεγμένες τριάδες ατόμων.
Παραδείγματα μοριακής γεωμετρίας παρουσιάζονται στο Σχ. 4.11.
Ας εξετάσουμε την επίδραση του υβριδισμού στο γεωμετρικό σχήμα των μορίων.
Εάν λάβουμε υπόψη ότι τα p-τροχιακά κατευθύνονται μεταξύ τους υπό γωνία 90 0, θα ήταν απαραίτητο να προτείνουμε ότι οι δεσμοί σε μόρια, για παράδειγμα, H 2 O, NH 3, θα πρέπει επίσης να κατευθύνονται σε κάθε άλλα σε ορθή γωνία. Ωστόσο, δεν είναι. Επιπλέον, η αναμενόμενη ανισότητα των δεσμών που σχηματίζονται λόγω τροχιακών διαφορετικών σχημάτων συχνά δεν δικαιολογείται πειραματικά. Έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι εάν ένα άτομο σχηματίζει πολλούς δεσμούς του ίδιου τύπου λόγω ηλεκτρονίων διαφορετικών ενεργειακών υποεπιπέδων, τότε αυτοί οι δεσμοί αποδεικνύονται ενεργειακά ισοδύναμοι.
Ρύζι. 4.11. Μοριακή γεωμετρία:
(α) – γραμμικό. (β) – τριγωνικό. (γ) – τετραεδρικό.
(δ) – τριγωνικό-διπυραμιδικό. (ε) – οκταεδρικό·
(ε) – πενταγωνικό-διπυραμιδικό
Η κβαντομηχανική θεωρία της ατομικής δομής δεν μπορεί να εξηγήσει αυτό το γεγονός και προέκυψε μια υπόθεση για να ευθυγραμμιστεί η θεωρία με το πείραμα τροχιακό υβριδισμό .
Σύμφωνα με αυτή την υπόθεση, διαφορετικά τροχιακά ενός ατόμου που εμπλέκονται στο σχηματισμό δεσμών s είναι ευθυγραμμισμένα σε σχήμα και ενέργεια. Από πολλά διαφορετικά τροχιακά, σχηματίζεται ο ίδιος αριθμός υβριδικών τροχιακών, που έχουν το ίδιο σχήμα και την ίδια ενέργεια. Τα υβριδικά τροχιακά κατανέμονται ομοιόμορφα στο χώρο γύρω από τον πυρήνα.
Τροχιακά διαφόρων σχημάτων μπορούν να συμμετέχουν στον υβριδισμό. Ας εξετάσουμε μόνο τον υβριδισμό των s- και p-ατομικών τροχιακών. Το τροχιακό που εμφανίζεται όταν τα τροχιακά s και p είναι "ευθυγραμμισμένα" είναι ένα άνισο οπλισμένο "σχήμα οκτώ" (Εικ. 4.12). Εκτείνεται περισσότερο προς τη μία κατεύθυνση από τον πυρήνα παρά προς την άλλη. Δεδομένου ότι ο βαθμός επικάλυψης των τροχιακών σθένους είναι υψηλότερος σε αυτή την περίπτωση, ο χημικός δεσμός που σχηματίζεται από το υβριδικό τροχιακό θα πρέπει να είναι ισχυρότερος από αυτόν που σχηματίζεται από τα συνηθισμένα τροχιακά s και p.
Ρύζι. 4.12. Sp υβριδικό τροχιακό σχήμα
Ανάλογα με τον αριθμό των τροχιακών που αλληλεπιδρούν σε ένα άτομο, σχηματίζεται διαφορετικός αριθμός υβριδικών τροχιακών ως αποτέλεσμα του υβριδισμού. Κατά συνέπεια, τα σχήματα των μορίων θα είναι διαφορετικά. Ας δούμε μερικά απλά παραδείγματα.
Κατά τον σχηματισμό μορίων αλογονιδίου βηρυλλίου, για παράδειγμα, BeCl 2, ένα s- και ένα p-ηλεκτρόνια, που εμφανίζονται όταν το άτομο διεγείρεται, συμμετέχουν στο σχηματισμό χημικών δεσμών από το κεντρικό άτομο:
 |  |
||
Μια τέτοια διέγερση δικαιολογείται εάν η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τον επακόλουθο σχηματισμό ενός χημικού δεσμού αντισταθμίζει την ενέργεια που δαπανάται για τη διέγερση του ατόμου (άλμα του ηλεκτρονίου s στο p-τροχιακό).
Η παρουσία μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων θα παρείχε δύο δεσμούς μεταξύ του ατόμου του βηρυλλίου και δύο ατόμων χλωρίου (που έχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια 3p), αλλά αυτοί οι δεσμοί δεν θα ήταν ίσοι.
Με τη δαπάνη λίγης ενέργειας, αντί για τα αρχικά τροχιακά s και p του ατόμου του βηρυλλίου, σχηματίζονται δύο ισοδύναμα τροχιακά sp. Τα υβριδικά τροχιακά sp είναι επιμήκη (Εικ. 4.13, α) σε κατευθύνσεις αντίθετες μεταξύ τους (γωνία δεσμού 180 O). Και οι δύο δεσμοί που σχηματίζονται είναι ενεργειακά ισοδύναμοι.
Δεδομένου ότι η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά το σχηματισμό των δεσμών Be–Cl είναι μεγαλύτερη από το άθροισμα της ενέργειας που δαπανάται για τη διέγερση ενός ατόμου βηρυλλίου και τον υβριδισμό των τροχιακών 2s και 2p του, ο σχηματισμός ενός μορίου BeCl 2 είναι ενεργειακά ευνοϊκός.
Η υπό εξέταση υπόθεση καλείται sp υβριδισμός . Τα μόρια που σχηματίζονται με τη συμμετοχή sp-υβριδικών τροχιακών είναι γραμμικά. Το απλούστερο παράδειγμα αυτού του είδους είναι ένα γραμμικό μόριο ακετυλενίου C 2 H 2 που σχηματίζεται λόγω sp-υβριδικών τροχιακών ατόμων άνθρακα (τα υπόλοιπα p-τροχιακά ατόμων άνθρακα δεν συμμετέχουν στον υβριδισμό σε αυτή την περίπτωση, αλλά σχηματίζουν δεσμούς p).
Όταν ένα s- και δύο p-τροχιακά υβριδοποιούνται, σχηματίζονται τρία ισοδύναμα υβριδικά τροχιακά sp 2. Ένα παράδειγμα είναι ο σχηματισμός ενός μορίου τριχλωριούχου βορίου. Όταν διεγείρονται, εμφανίζονται τρία ασύζευκτα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο βορίου:
 |
Τα τροχιακά στα οποία βρίσκονται αυτά τα ηλεκτρόνια υπολογίζονται κατά μέσο όρο σε σχήμα και ενέργεια, σχηματίζοντας τρία υβριδικά τροχιακά sp 2 που βρίσκονται σε γωνία 120 Ο μεταξύ τους (Εικ. 4.13, β). Αυτή η γωνία είναι βέλτιστη: εξασφαλίζει τον μέγιστο αμοιβαίο διαχωρισμό και την ελάχιστη απωστική ενέργεια των τριών υβριδικών τροχιακών, εξασφαλίζοντας επομένως την ελάχιστη ενέργεια του συστήματος.
Έτσι, τα μόρια που σχηματίζονται από τα υβριδικά τροχιακά sp 2 αντιπροσωπεύουν ένα κανονικό τρίγωνο, στο κέντρο του οποίου υπάρχει ένα κεντρικό άτομο (στην περίπτωσή μας, το βόριο) και στις κορυφές τα υπόλοιπα άτομα (χλώριο). Και οι τρεις δεσμοί στο μόριο είναι ισοδύναμοι.
Παραδείγματα μορίων με sp 2 -υβριδικά τροχιακά του ατόμου άνθρακα είναι οργανικές ουσίες: αιθυλένιο C 2 H 4, βενζόλιο C 6 H 6 κ.λπ. (σε αυτές τις περιπτώσεις, τρία τροχιακά του ατόμου άνθρακα υβριδίζονται και το τέταρτο εμπλέκεται στο σχηματισμό ενός δεσμού p).
Εάν τέσσερα τροχιακά συμμετέχουν στο σχηματισμό υβριδικών τροχιακών (για παράδειγμα, στο μόριο μεθανίου CH 4), εμφανίζεται υβριδισμός sp 3. Ένα διεγερμένο άτομο άνθρακα έχει 4 ασύζευκτα ηλεκτρόνια (ένα s και τρία p ηλεκτρόνια):
 |
Ρύζι. 4.13. Διάγραμμα διάταξης τροχιακών για sp- (a), sp 2 - (b) και
sp 3 - υβριδισμός (c)
Εάν και τα τέσσερα τροχιακά συμμετέχουν στον υβριδισμό, τότε τα τέσσερα σχηματισμένα sp 3 -υβριδικά τροχιακά, λόγω αμοιβαίας απώθησης, προσανατολίζονται μεταξύ τους σε γωνία 109 O 28 / (Εικ. 4.9, γ). Στην περίπτωση αυτή, το άτομο άνθρακα καταλαμβάνει μια θέση στο κέντρο ενός κανονικού τετραέδρου και οι εταίροι του βρίσκονται στις κορυφές (στην περίπτωση του μεθανίου, άτομα υδρογόνου).
Το άτομο αζώτου έχει πέντε ηλεκτρόνια στο εξωτερικό ενεργειακό του επίπεδο:
 |
Η σύγχρονη κβαντική χημική θεωρία των χημικών δεσμών προτείνει ότι κατά τον σχηματισμό του μορίου αμμωνίας NH 3, τα τροχιακά του ατόμου του αζώτου υφίστανται υβριδισμό sp 3. Σε αυτή την περίπτωση, μιλάμε για υβριδισμό όχι ηλεκτρονίων, αλλά τροχιακών, επομένως μπορεί να παρατηρηθεί τόσο στην περίπτωση τροχιακών που περιέχουν ένα ηλεκτρόνιο το καθένα, όσο και στην περίπτωση τροχιακών που καταλαμβάνονται από δύο ηλεκτρόνια ή εντελώς απαλλαγμένα από αυτά. Τα τρία άτομα υδρογόνου της αμμωνίας καταλαμβάνουν τις τρεις κορυφές του προκύπτοντος τετραέδρου των υβριδικών τροχιακών sp 3. Η τέταρτη κορυφή του τετραέδρου καταλαμβάνεται από ένα υβριδικό νέφος ηλεκτρονίων που δεν εμπλέκεται στο σχηματισμό χημικού δεσμού. Επειδή δεν είναι όλες οι κορυφές του τετραέδρου πανομοιότυπες, η γωνία δεσμού στο μόριο αμμωνίας είναι μικρότερη από την τετραεδρική και ίση με 107 0, δηλ. το μόριο είναι ένα ελαφρώς παραμορφωμένο τετράεδρο (τριγωνική πυραμίδα, βλ. Εικ. 4.10, β).
Σε ένα μόριο νερού, η γωνία δεσμού H–O–H είναι επίσης κοντά στο τετραεδρικό (104,5 0). Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι τα τροχιακά του ατόμου οξυγόνου υφίστανται υβριδισμό sp 3, και δύο υβριδικά τροχιακά sp 3 επικαλύπτονται με τα τροχιακά s δύο ατόμων υδρογόνου και δύο καταλαμβάνονται από ζεύγη μεμονωμένων ηλεκτρονίων.
Τα ενεργειακά χαρακτηριστικά των δεσμών στα υδραλογονίδια δείχνουν ότι ακόμη και σε αυτή την περίπτωση, τα τροχιακά των ατόμων αλογόνου υπόκεινται σε υβριδισμό sp 3 και ο δεσμός σχηματίζεται από το τροχιακό s του ατόμου υδρογόνου και το υβριδικό τροχιακό sp 3 του αλογόνου άτομο. Φαίνεται ότι δεν υπάρχει ανάγκη να εφαρμοστεί η θεωρία του υβριδισμού σε διατομικά μόρια, αλλά ο δεσμός στα υδραλογονίδια είναι ισχυρότερος από ό,τι δίνει ο υπολογισμός για τον δεσμό που σχηματίζεται από ένα «καθαρό» ρ-τροχιακό.
Παραδείγματα της επίδρασης των μονών ζευγών ηλεκτρονίων του κεντρικού ατόμου στη γεωμετρία του μορίου εξετάζονται επίσης στο Σχήμα. 4.14. και στον πίνακα. 4.3.
Έτσι, η αντιστοιχία της θεωρίας του υβριδισμού με πειραματικές μελέτες (για παράδειγμα, δεδομένα για την ενέργεια των χημικών δεσμών) επιβεβαιώνει τη σημασία της ίδιας της έννοιας του υβριδισμού. Ο υβριδισμός καθορίζει τη χημική και κρυσταλλική χημική δομή των ουσιών και, κατά συνέπεια, τις χημικές τους ιδιότητες.
Ρύζι. 4.14. Η επίδραση των μοναχικών ζευγών ηλεκτρονίων (Ε) του κεντρικού ατόμου στη χωρική διαμόρφωση των μορίων:
(α) – τετράεδρο. (β) – τριγωνική πυραμίδα. (γ) – γωνιακό σχήμα.
(δ) – τριγωνική διπυραμίδα. (ε) – παραμορφωμένο τετράεδρο. (ε) – Σχήμα Τ. (ζ) – γραμμική μορφή. (η) – οκτάεδρο· (i) – τετραγωνική πυραμίδα. (ια) – τετράγωνο
Πίνακας 4.3
Αριθμός ζευγών ηλεκτρονίων του κεντρικού ατόμου
και χωρική διαμόρφωση των μορίων ABn
| Αριθμός ζευγών ηλεκτρονίων του ατόμου Α | Διάταξη ζευγών ηλεκτρονίων | Αριθμός ζευγών δεσίματος | Αριθμός μοναχικών ζευγών | Γεωμετρικό σχήμα και σύνθεση του μορίου* | Παραδείγματα |
| Γραμμικός | Γραμμική ΑΒ 2 | BeH2, BeCl2 | |||
| Τριγωνικός | Επίπεδο τρίγωνο AB 3 Γωνιακό τρίγωνο AB 2 E | BF 3 SnCl 2 | |||
| Τετράεδρος | Τετράεδρο AB 4 Τριγωνική πυραμίδα AB 3 E Γωνιακή AB 2 E 2 | CCl 4, CH 4 H 3 N, NF 3 H 2 O, OF 2 | |||
| Τριγωνικό-δίπυρα-μέσο | Τριγωνική διπυραμίδα AB 5 Ακανόνιστο τετράεδρο AB 4 E σε σχήμα Τ AB 3 E 2 Γραμμικό AB 2 E 3 | PCl 5 SF 4 ClF 3 XeF 2 , ΑΝ | |||
| Οκτάεδρος | Οκτάεδρο AB 6 Τετράγωνη πυραμίδα AB 5 E Επίπεδο τετράγωνο AB 4 E 2 | SF 6, SiF IF 5, SbF XeF 4, ICl | |||
| Πεντάγωνο-δίπι-ραμιδικό | Πεντάγωνο διπυραμίδιο AB 7 Ακανόνιστο οκτάεδρο AB 6 E | IF 7 XeF 6 |
*E – μοναχικό ζεύγος ηλεκτρονίων.
