Estado de hibridación Sp3. Tipos de hibridación de nubes de electrones sy p. Configuración espacial de moléculas. Que haremos con el material recibido
La hibridación de orbitales atómicos es un proceso que le permite comprender cómo los átomos modifican sus orbitales para formar compuestos. Entonces, ¿qué es la hibridación y qué tipos hay?
Características generales de la hibridación de orbitales atómicos.
La hibridación de orbitales atómicos es un proceso en el que se mezclan diferentes orbitales del átomo central, dando como resultado la formación de orbitales de las mismas características.
La hibridación ocurre durante la formación de un enlace covalente.
El orbital híbrido tiene una ventaja inicial con el signo del infinito o un ocho asimétrico invertido, alargado hacia el lado del núcleo atómico. Esta forma provoca una superposición más fuerte, que en el caso de los orbitales atómicos puros, de los orbitales híbridos con los orbitales (puros o híbridos) de otros átomos y conduce a la formación de enlaces covalentes más fuertes.
Arroz. 1. Aspecto orbital híbrido.
Por primera vez, el científico estadounidense L. Pauling propuso la idea de la hibridación de orbitales atómicos. Él creía que el átomo que entra en un enlace químico tiene diferentes orbitales atómicos (orbitales s-, p-, d-, f), entonces el resultado es la hibridación de estos orbitales. La esencia del proceso es que a partir de diferentes orbitales se forman orbitales atómicos equivalentes entre sí.
Tipos de hibridación de orbitales atómicos.
Hay varios tipos de hibridación:
- ... Este tipo de hibridación ocurre cuando se mezclan un orbital s y un orbital p. Como resultado, se forman dos orbitales sp en toda regla. Estos orbitales están ubicados al núcleo atómico de tal manera que el ángulo entre ellos es de 180 grados.
Arroz. 2. hibridación sp.
- hibridación sp2... Este tipo de hibridación ocurre cuando se mezclan un orbital s y dos orbitales p. El resultado es la formación de tres orbitales híbridos, que se encuentran en el mismo plano en un ángulo de 120 grados entre sí.
- ... Este tipo de hibridación ocurre cuando se mezclan un orbital sy tres orbitales p. Como resultado, se forman cuatro orbitales sp3 completos. Estos orbitales se dirigen hacia el vértice del tetraedro y se encuentran en un ángulo de 109,28 grados entre sí.
La hibridación sp3 es típica para muchos elementos, por ejemplo, el átomo de carbono y otras sustancias del grupo IVA (CH 4, SiH 4, SiF 4, GeH 4, etc.)
Arroz. 3. hibridación sp3.
También son posibles tipos más complejos de hibridación con la participación de orbitales d atómicos.
¿Qué hemos aprendido?
La hibridación es un proceso químico complejo en el que diferentes orbitales de un átomo forman los mismos orbitales híbridos (equivalentes). El primero en expresar la teoría de la hibridación fue el estadounidense L. Pauling. Hay tres tipos principales de hibridación: hibridación sp, hibridación sp2, hibridación sp3. También hay tipos de hibridación más complejos en los que intervienen los orbitales d.
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En 1930, Slater y L. Pauling desarrollaron la teoría de la formación de un enlace covalente debido a la superposición de orbitales electrónicos: el método de los enlaces de valencia. Este método se basa en el método de hibridación, que describe la formación de moléculas de sustancias debido a la "mezcla" de orbitales híbridos (no electrones, pero los orbitales están "mezclados").
DEFINICIÓN
Hibridación- mezclar orbitales y alinearlos en forma y energía. Entonces, al mezclar orbitales s y p, obtenemos el tipo de hibridación de orbitales sp, s y 2-p - orbitales sp 2, s- y 3-p-orbitales - sp 3. Existen otros tipos de hibridación, por ejemplo, sp 3 d, sp 3 d 2 y más complejas.
Determinación del tipo de hibridación de moléculas con enlace covalente.
El tipo de hibridación se puede determinar solo para moléculas con un enlace covalente del tipo AB n, donde n es mayor o igual que dos, A es el átomo central y B es el ligando. Solo los orbitales de valencia del átomo central entran en hibridación.
Determinemos el tipo de hibridación usando el ejemplo de la molécula BeH 2.
Inicialmente, escribimos las configuraciones electrónicas del átomo central y el ligando, y dibujamos fórmulas electrónicas.
El átomo de berilio (átomo central) tiene orbitales 2p vacantes, por lo tanto, para recibir un electrón de cada átomo de hidrógeno (ligando) para la formación de una molécula de BeH 2, debe entrar en un estado excitado:
La formación de la molécula de BeH 2 se produce debido a la superposición de los orbitales de valencia del átomo de Be
* el color rojo indica electrones de hidrógeno, negro - berilio.
El tipo de hibridación está determinado por los orbitales que se superponen, por lo que la molécula de BeH 2 está en hibridación sp.
Además de las moléculas de composición AB n, se puede utilizar el método de enlaces de valencia para determinar el tipo de hibridación de moléculas con enlaces múltiples. Considere el ejemplo de la molécula de etileno C 2 H 4. En la molécula de etileno, hay un doble enlace múltiple, que está formado por enlaces y. Para determinar la hibridación, escribimos las configuraciones electrónicas y dibujamos las fórmulas electrónicas de los átomos que componen la molécula:
6 C 2s 2 2s 2 2p 2
El átomo de carbono tiene un orbital p vacante más, por lo tanto, para aceptar 4 átomos de hidrógeno, necesita entrar en un estado excitado:
Un orbital p es necesario para la formación de un enlace-(resaltado en rojo), ya que se forma un enlace-debido a la superposición de orbitales p "puros" (no híbridos). El resto de los orbitales de valencia entran en hibridación. Por tanto, el etileno está en hibridación sp 2.
Determinación de la estructura geométrica de moléculas.
La estructura geométrica de las moléculas, así como los cationes y aniones de composición AB n, se puede obtener mediante el método de Gillespie. Este método se basa en pares de electrones de valencia. La estructura geométrica está influenciada no solo por los electrones que participan en la formación de un enlace químico, sino también por pares de electrones solitarios. Cada par solitario de electrones en el método de Gillespie se denota por E, el átomo central - A, ligando - B.
Si no hay pares de electrones solitarios, entonces la composición de las moléculas puede ser AB 2 (estructura lineal de una molécula), AB 3 (estructura triangular plana), AB4 (estructura tetraédrica), AB 5 (estructura bipirámide trigonal) y AB 6 ( estructura octaédrica). Se pueden obtener derivados a partir de estructuras básicas si aparece un par de electrones solitarios en lugar de un ligando. Por ejemplo: AB 3 E (estructura piramidal), AB 2 E 2 (estructura angular de la molécula).
Para determinar la estructura geométrica (estructura) de una molécula, es necesario determinar la composición de la partícula, para lo cual se calcula el número de pares de electrones solitarios (NPP):
NEP = (el número total de electrones de valencia - el número de electrones usados para formar un enlace con ligandos) / 2
El enlace con H, Cl, Br, I, F toma 1 electrón de A, el enlace con O - 2 electrones cada uno y el enlace con N - 3 electrones cada uno del átomo central.
Considere el ejemplo de la molécula de BCl 3. El átomo central es B.
5 B 1s 2 2s 2 2p 1
NEP = (3-3) / 2 = 0, por lo tanto, no hay pares de electrones solitarios y la molécula tiene la estructura AB 3, un triángulo plano.
Los detalles de la estructura geométrica de moléculas de diferentes composiciones se presentan en la tabla. una.
Tabla 1. Estructura espacial de moléculas
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Fórmula de la molécula |
Tipo de hibridación |
Tipo de molécula |
Geometría de la molécula |
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lineal |
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triangular |
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tetraedro |
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pirámide trigonal |
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bipirámide trigonal |
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disfenoide |
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En forma de T |
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lineal |
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pirámide cuadrada |
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Ejemplos de resolución de problemas
EJEMPLO 1
| Ejercicio | Determinar el tipo de hibridación de la molécula de metano (CH 4) y su estructura geométrica por el método de Gillespie utilizando el método de enlaces de valencia. |
| Solución | 6 С 2s 2 2s 2 2p 2 |
La hibridación sp tiene lugar, por ejemplo, durante la formación de haluros Be, Zn, Co y Hg (II). En el estado de valencia, todos los haluros metálicos contienen electrones no apareados syp en el nivel de energía correspondiente. Cuando se forma una molécula, un orbital s y uno p forman dos orbitales sp híbridos en un ángulo de 180 °.
Fig. 3 sp orbitales híbridos
Los datos experimentales muestran que todos los haluros de Be, Zn, Cd y Hg (II) son lineales y ambos enlaces tienen la misma longitud.
sp 2 - hibridación
Como resultado de la hibridación de un orbital s y dos orbitales p, se forman tres orbitales sp 2 híbridos, ubicados en el mismo plano en un ángulo de 120 ° entre sí. Esta es, por ejemplo, la configuración de la molécula BF 3:
Figura 4 sp 2 - hibridación
sp 3 - hibridación
La hibridación sp 3 es característica de los compuestos de carbono. Como resultado de la hibridación de un orbital s y tres
p-orbitales, se forman cuatro híbridos sp 3 -orbitales, dirigidos a los vértices del tetraedro con un ángulo entre los orbitales de 109,5 o. La hibridación se manifiesta en la equivalencia completa de los enlaces del átomo de carbono con otros átomos en compuestos, por ejemplo, en CH 4, CCl 4, C (CH 3) 4, etc.
Figura 5 sp 3 - hibridación
Si todos los orbitales híbridos están unidos a los mismos átomos, entonces los enlaces no son diferentes entre sí. En otros casos, hay pequeñas desviaciones de los ángulos de enlace estándar. Por ejemplo, en la molécula de agua H2O, el oxígeno es un híbrido sp 3, ubicado en el centro de un tetraedro irregular, en cuyos vértices "miran" dos átomos de hidrógeno y dos pares de electrones solitarios (Fig. 2). La forma de la molécula es angular cuando se ve desde los centros de los átomos. El ángulo de enlace HOH es 105 о, que se acerca bastante al valor teórico de 109 о.
Figura 6 sp 3 - hibridación de átomos de oxígeno y nitrógeno en moléculas a) H 2 O yb) NCl 3.
Si no se produjo la hibridación ("alineación" Enlaces O-H), el ángulo de enlace HOH sería de 90 °, porque los átomos de hidrógeno estarían unidos a dos orbitales p mutuamente perpendiculares. En este caso, nuestro mundo probablemente se vería completamente diferente.
La teoría de la hibridación explica la geometría de la molécula de amoníaco. Como resultado de la hibridación de 2s y tres orbitales de nitrógeno 2p, se forman cuatro orbitales híbridos sp 3. La configuración de la molécula es un tetraedro distorsionado, en el que tres orbitales híbridos participan en la formación de un enlace químico, y el cuarto con un par de electrones no. Ángulos entre enlaces N-H no igual a 90 о como en una pirámide, pero tampoco igual a 109,5 о, correspondiente a un tetraedro.
Figura 7 sp 3 - hibridación en la molécula de amoníaco
Cuando el amoníaco interactúa con un ion hidrógeno, como resultado de la interacción donante-aceptor, se forma un ion amonio, cuya configuración es un tetraedro.
La hibridación también explica la diferencia en el ángulo entre Enlaces O-H en la esquina de la molécula de agua. Como resultado de la hibridación de los orbitales de oxígeno 2s y 2p, se forman cuatro orbitales híbridos sp 3, de los cuales solo dos están involucrados en la formación de un enlace químico, lo que conduce a una distorsión del ángulo correspondiente al tetraedro.
Figura 8 sp 3 - hibridación en la molécula de agua
La hibridación puede incluir no solo s y p, sino también orbitales d y f.
Con la hibridación sp 3 d 2, se forman 6 nubes equivalentes. Se observa en compuestos como 4-, 4-. En este caso, la molécula tiene la configuración de un octaedro.
Mayoria compuestos orgánicos tener estructura molecular... Los átomos en sustancias con un tipo de estructura molecular siempre forman solo enlaces covalentes entre sí, lo que también se observa en el caso de compuestos orgánicos. Recordemos que el covalente es un tipo de enlace entre átomos, que se realiza debido al hecho de que los átomos socializan parte de sus electrones externos para adquirir la configuración electrónica de un gas noble.
Según el número de pares de electrones compartidos, los enlaces covalentes en sustancias orgánicas se pueden dividir en simples, dobles y triples. Estos tipos de enlaces se indican en la fórmula gráfica, respectivamente, con una, dos o tres líneas:
La multiplicidad del enlace conduce a una disminución en su longitud, por lo que solo C-C el enlace tiene una longitud de 0,154 nm, el enlace doble C = C es 0,134 nm, el enlace triple C≡C es 0,120 nm.
Tipos de enlaces mediante orbitales superpuestos
Como sabe, los orbitales pueden tener diferentes formas, por ejemplo, los orbitales s son esféricos y tienen forma de p mancuerna. Por esta razón, las conexiones también pueden diferir en la forma en que los orbitales de los electrones se superponen:
Enlaces ϭ: se forman cuando los orbitales se superponen de tal manera que el área de su superposición se cruza con una línea que conecta los núcleos. Ejemplos de enlaces ϭ:
Enlaces π: se forman cuando los orbitales se superponen, en dos regiones: por encima y por debajo de la línea que conecta los núcleos de los átomos. Ejemplos de enlaces π:
¿Cómo saber cuándo hay enlaces π y ϭ en una molécula?
Con el tipo de enlace covalente, el enlace ϭ entre dos átomos cualesquiera está siempre presente, y el enlace π tiene solo en el caso de enlaces múltiples (dobles, triples). Donde:
- Enlace simple - siempre enlace ϭ
- Doble enlace siempre consta de un enlace ϭ y uno π
- Un triple enlace siempre está formado por un enlace ϭ y dos enlaces π.
Indicamos estos tipos de enlaces en la molécula de ácido propínico:
Hibridación de orbitales de carbono.
La hibridación orbital es un proceso en el que los orbitales, que inicialmente tienen diferentes formas y energías, se mezclan, formando en cambio el mismo número de orbitales híbridos, iguales en forma y energía.
Entonces, por ejemplo, al mezclar uno s- y tres pags- Los orbitales están formados por cuatro sp 3-orbitales híbridos:
En el caso de los átomos de carbono, siempre interviene la hibridación. s- orbital, y el número pags-orbitales que pueden participar en la hibridación varía de uno a tres pags- orbitales.
¿Cómo determinar el tipo de hibridación de un átomo de carbono en una molécula orgánica?
Dependiendo de cuántos otros átomos esté unido un átomo de carbono, estará en el estado sp 3, o en un estado sp 2, o en un estado sp- hibridación:
Practiquemos la determinación del tipo de hibridación de átomos de carbono usando el ejemplo de lo siguiente molécula orgánica:
El primer átomo de carbono está unido a otros dos átomos (1H y 1C), lo que significa que está en el estado sp-hibridación.
- El segundo átomo de carbono está unido a dos átomos: sp-hibridación
- El tercer átomo de carbono está unido a otros cuatro átomos (dos C y dos H) - sp 3-hibridación
- El cuarto átomo de carbono está unido a otros tres átomos (2O y 1C) - sp 2-hibridación.
Radical. Grupo funcional
El término "radical" más a menudo significa un radical hidrocarbonado, que es el resto de una molécula de cualquier hidrocarburo sin un átomo de hidrógeno.
El nombre del radical hidrocarbonado se forma basándose en el nombre del hidrocarburo correspondiente reemplazando el sufijo -Un en el sufijo -Illinois .
Grupo funcional - un fragmento estructural de una molécula orgánica (un determinado grupo de átomos), que es responsable de su especificidad Propiedades químicas.
Dependiendo de cuál de los grupos funcionales en la molécula de una sustancia sea el más antiguo, el compuesto se asigna a una u otra clase.
R es la designación de un sustituyente hidrocarbonado (radical).
Los radicales pueden contener múltiples enlaces, que también pueden considerarse grupos funcionales, ya que múltiples enlaces contribuyen a las propiedades químicas de una sustancia.
Si la molécula de una sustancia orgánica contiene dos o más grupos funcionales, dichos compuestos se denominan polifuncionales.
Hibridación AO es la alineación de los AO de valencia en forma y energía en el proceso de formación de un enlace químico.
1. Solo aquellos AO cuyas energías están lo suficientemente cerca (por ejemplo, orbitales atómicos 2s y 2p) pueden participar en la hibridación.
2. Los AO vacantes (libres), los orbitales con electrones desapareados y pares de electrones solitarios pueden participar en la hibridación.
3. Como resultado de la hibridación, aparecen nuevos orbitales híbridos, que están orientados en el espacio de tal manera que, después de superponerse con los orbitales de otros átomos, los pares de electrones están a la máxima distancia entre sí. Este estado de la molécula corresponde a un mínimo de energía debido a la máxima repulsión de electrones con cargas similares.
4. El tipo de hibridación (el número de AO que experimentan hibridación) está determinado por el número de átomos que "atacan" a un átomo dado y el número de pares de electrones solitarios en un átomo dado.
Ejemplo. BF 3. En el momento de la formación del enlace, hay un reordenamiento del AO del átomo B, que se transforma en un estado excitado: B 1s 2 2s 2 2p 1 ® B * 1s 2 2s 1 2p 2.
Los AO híbridos están ubicados en un ángulo de 120 °. La molécula tiene la forma correcta. triángulo(plano, triangular):
3. hibridación de sp 3. Este tipo de hibridación es típico de los átomos del cuarto grupo ( por ejemplo, carbono, silicio, germanio) en moléculas del tipo EC 4, así como para el átomo de C en el diamante, moléculas de alcanos, para el átomo de N en la molécula de NH 3, NH 4 +, el átomo de O en la molécula de H 2 O, etc.
Ejemplo 1. CH 4. En el momento de la formación del enlace, se produce un reordenamiento del AO del átomo de C, pasando a un estado excitado: C 1s 2 2s 2 2p 2 ® C * 1s 2 2s 1 2p 3.
Los AO híbridos están ubicados en un ángulo de 109 aproximadamente 28 ".
Ejemplo 2. NH 3 y NH 4 +.
Estructura electrónica del átomo de N: 1s 2 2s 2 2p 3. La hibridación se somete a 3 AO que contienen electrones desapareados y 1 AO que contiene un par de electrones solitarios. Debido a la repulsión más fuerte del par de electrones solitarios de los pares de electrones de los enlaces s, el ángulo de enlace en la molécula de amoníaco es 107,3 ° (más cercano al tetraédrico, no recto).
La molécula tiene la forma de una pirámide trigonal.:
El concepto de hibridación sp 3 permite explicar la posibilidad de formación de un ión amonio y la equivalencia de enlaces en él.
Ejemplo 3. H 2 O.
Estructura electrónica del átomo de O 1s 2 2s 2 2p 4. La hibridación se somete a 2 AO que contienen electrones desapareados y 2 AO que contienen pares de electrones solitarios. El ángulo de enlace en una molécula de agua es de 104,5 ° (también más cercano al tetraédrico, no al recto).
La molécula es angular:
El concepto de hibridación sp 3 permite explicar la posibilidad de la formación de un ión oxonio (hidronio) y la formación de 4 enlaces de hidrógeno en la estructura del hielo por cada molécula.
4. hibridación sp 3 d.Este tipo de hibridación es característico de los átomos de los elementos del 5º grupo (comenzando por P) en moléculas del tipo EC 5.
Ejemplo. PCl 5. Estructura electrónica del átomo de P en el suelo y estados excitados: P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 ® P * 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 3d 1. Forma de la molécula - hexaedro (más precisamente - bipirámide trigonal):
5. hibridación sp 3 d 2.Este tipo de hibridación es característico de los átomos de los elementos del sexto grupo (comenzando por S) en moléculas del tipo EC6.
Ejemplo. SF 6. Estructura electrónica del átomo de S en el suelo y estados excitados: S 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 ® P * 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 3d 2.
Forma de la molécula - octaedro :
6. hibridación sp 3 d 3.Este tipo de hibridación es característico de los átomos de los elementos del grupo 7 (comenzando por Cl) en moléculas del tipo EC 7.
Ejemplo. SI 7. Estructura electrónica del átomo de F en el suelo y estados excitados: I 5s 2 3p 5 ® I * 5s 1 3p 3 3d 3. Forma de la molécula - decaedro (más precisamente - bipirámide pentagonal):
7.sp 3 d 4 - hibridación.Este tipo de hibridación es característico de los átomos de los elementos del Grupo 8 (excepto He y Ne) en moléculas del tipo EC 8.
Ejemplo. XeF 8. Estructura electrónica del átomo Xe en el suelo y estados excitados: Xe 5s 2 3p 6 ® Xe * 5s 1 3p 3 3d 4.
Forma de la molécula - dodecaedro:
Puede haber otros tipos de hibridación AO.