§ 7. Гибридизация атомных орбиталей и геометрия молекул

Определения и обозначения

Гибридизация атомных орбиталей — смешение орбиталей одного атома с близкими энергиями, приводящее к появлению равноценных гибридных орбиталей. Это модель, которая помогает объяснить направленность химических связей и пространственное строение молекул. Она не означает, что орбитали разных атомов смешиваются друг с другом.

Гибридная орбиталь — орбиталь, образованная при гибридизации и имеющая определённую форму и направление в пространстве. В отличие от исходных атомных орбиталей, такие орбитали удобно связывать с направлениями связей. Они могут участвовать в образовании связи или содержать неподелённую электронную пару.

sp-гибридизация — образование двух гибридных орбиталей из одной s- и одной p-орбитали. Они направлены в противоположные стороны, поэтому угол между ними равен 180°. Такое обозначение сразу подсказывает линейное расположение электронных областей вокруг атома.

При sp²-гибридизации одна s- и две p-орбитали образуют три гибридные орбитали, а при sp³-гибридизации одна s- и три p-орбитали — четыре. Индексы показывают, сколько p-орбиталей участвовало в смешении; буквы обозначают исходные типы орбиталей. Эти обозначения позволяют связать число электронных областей с предполагаемой геометрией.

Как это устроено

Представления об атомных s- и p-орбиталях описывают распределение электронов в атоме, но не всегда наглядно объясняют геометрию молекулы. Например, у атома углерода в метане четыре одинаковые связи C—H, хотя исходные s- и p-орбитали различаются по форме и энергии. Чтобы объяснить равноценность этих связей и их направления, используют модель гибридизации. Она показывает, как при образовании молекулы можно представить орбитали центрального атома.

При гибридизации орбитали одного атома с близкими энергиями рассматривают как смешивающиеся. Возникают новые орбитали, отличающиеся формой и направлением, но равноценные внутри данного набора. Число таких орбиталей сохраняется: из двух исходных получается две, из трёх — три, из четырёх — четыре. Это следует из того, что гибридизация перестраивает описание орбиталей, а не создаёт дополнительные места для электронов.

Тип гибридизации связывают с числом электронных областей вокруг центрального атома. Электронной областью считают направление связи или расположение неподелённой пары; кратная связь в этом подсчёте занимает одну область. Две области соответствуют модели sp, три — sp², четыре — sp³. Так можно сначала определить число областей, а затем предположить, как они будут направлены в пространстве.

Электронные области располагаются так, чтобы по возможности находиться дальше друг от друга и уменьшать взаимное отталкивание. Для двух областей это даёт прямую линию, для трёх — плоский треугольник, для четырёх — пространственный тетраэдр. Поэтому направления sp-, sp²- и sp³-гибридных орбиталей соответствуют углам 180°, 120° и примерно 109,5°. Эти значения относятся к идеализированной геометрии, а реальные углы могут изменяться.

В молекулах BeCl₂, BF₃ и CH₄ центральные атомы имеют соответственно две, три и четыре области образования связей. Поэтому их удобно описывать моделями sp-, sp²- и sp³-гибридизации; геометрия молекул получается линейной, плоской треугольной и тетраэдрической. Но не всякая область вокруг атома связывает его с соседним атомом: неподелённая пара тоже занимает пространство и отталкивает другие области. Поэтому для NH₃ геометрия электронных областей тетраэдрическая, а форма самой молекулы — пирамидальная.

Тип гибридизации и геометрия электронных областей

Пользуйтесь таблицей после подсчёта электронных областей у центрального атома: две, три или четыре области подсказывают тип гибридизации. Затем проверьте, есть ли среди областей неподелённые пары. Таблица показывает геометрию областей, а не всегда форму молекулы, которую задают положения атомов.

Разбор задач

Задача 1. BeCl₂

Определите тип гибридизации атома бериллия и геометрию молекулы BeCl₂. Нужно рассмотреть центральный атом, поскольку именно вокруг него оценивают расположение связей. В формуле бериллий связан с двумя атомами хлора. Сначала считаем электронные области, а затем сопоставляем их с типом гибридизации.

1. У атома Be две области образования связей с атомами Cl.
2. Двум областям соответствует sp-гибридизация: участвуют одна s- и одна p-орбиталь.
3. Две sp-гибридные орбитали направлены в противоположные стороны, поэтому связи располагаются по одной прямой.

Ответ: атом бериллия имеет sp-гибридизацию, молекула BeCl₂ линейная; угол Cl—Be—Cl равен 180° в идеализированной модели.

Задача 2. BF₃

Определите тип гибридизации атома бора и форму молекулы BF₃. Центральный атом здесь — бор, а три атома фтора связаны с ним. Неподелённых пар на боре в принятой модели нет, поэтому для подсчёта учитываем три области связей. Их расположение определяет геометрию молекулы.

1. Вокруг атома B находятся три области образования связей B—F.
2. Три области соответствуют sp²-гибридизации, при которой смешиваются одна s- и две p-орбитали.
3. Три гибридные орбитали лежат в одной плоскости и направлены к вершинам треугольника.
4. Все три направления заняты связями с атомами фтора, поэтому расположение областей совпадает с формой молекулы.

Ответ: бор имеет sp²-гибридизацию, BF₃ — плоская треугольная молекула с углами около 120°.

Задача 3. NH₃

Для молекулы NH₃ определите гибридизацию атома азота и объясните, почему форма молекулы не является тетраэдрической. У азота три связи с атомами водорода, но подсчётом только связей дело не ограничивается. У атома остаётся неподелённая электронная пара, которая тоже занимает область пространства. Поэтому отдельно устанавливаем геометрию всех областей и форму, образованную атомами.

1. Считаем три области связей N—H и одну область неподелённой пары: всего четыре.
2. Четырём областям соответствует sp³-гибридизация; для неё смешиваются одна s- и три p-орбитали.
3. Четыре области располагаются примерно тетраэдрически, но одна из них принадлежит неподелённой паре, а не атому водорода.
4. Форму молекулы определяют ядра азота и трёх атомов водорода. Их расположение образует треугольную пирамиду, а не тетраэдр.

Ответ: атом азота имеет sp³-гибридизацию; форма NH₃ — треугольная пирамида из-за неподелённой пары.

Типичные ошибки

Ошибочно считать гибридизацию переходом электрона на другую орбиталь. Путаница возникает потому, что объяснение строения молекулы иногда связывают с перестройкой электронного состояния атома; однако сама гибридизация описывает смешение орбиталей и образование новых направленных орбиталей. Проверка: отдельно рассуждайте о возможном возбуждении электрона и о геометрической модели связей. Эти процессы не следует считать одним и тем же.

Число гибридных орбиталей не равно автоматически числу связей. Ошибка появляется, если считать, что каждая орбиталь обязательно образует связь с другим атомом. На деле орбиталь может содержать неподелённую пару, как в NH₃. Для самопроверки сравните число орбиталей с числом всех электронных областей, а не только с количеством соседних атомов.

Нельзя определять форму молекулы только по числу атомов, связанных с центральным. Так, три связи в NH₃ не означают плоскую треугольную форму: на азоте есть ещё неподелённая пара. Ошибка возникает, когда при подсчёте рассматривают только линии связей. Проверьте, есть ли у центрального атома неподелённые пары, и включите их в число электронных областей.

Расположение электронных областей и форма молекулы — не всегда одно и то же. Эти понятия путают, потому что и то и другое описывает геометрию вокруг центрального атома. Однако форма учитывает положения ядер связанных атомов, а электронная геометрия — также неподелённые пары. Для проверки назовите отдельно обе геометрии: у NH₃ области расположены тетраэдрически, а форма молекулы пирамидальная.

Связь с другими темами

Для изучения гибридизации нужны знания о строении атома, s- и p-орбиталях и образовании ковалентной связи. Без представления об орбиталях нельзя понять, что именно смешивается, а без модели связи — как гибридная орбиталь взаимодействует с орбиталью другого атома. Эти темы дают основу для анализа строения молекул.

Гибридизация помогает объяснять пространственную форму молекул и углы между связями, а также различать σ- и π-связи. Направленные гибридные орбитали удобно связывать с образованием σ-связей, тогда как оставшиеся негибридизованные p-орбитали могут участвовать в образовании π-связей. Это связывает геометрию молекулы с характером её химических связей.

Что запомнить

• Гибридизация — смешение орбиталей одного атома с близкими энергиями.
• Число гибридных орбиталей равно числу орбиталей, участвовавших в гибридизации.
• sp-гибридизация связана с линейным расположением орбиталей и углом 180°.
• sp²-гибридизация связана с плоским треугольным расположением и углом 120°.
• sp³-гибридизация связана с тетраэдрическим расположением и углом около 109,5°.
• Неподелённые электронные пары учитывают при определении формы молекулы.