Пространственное строение молекул

Молекулы и кристаллические структуры характеризуются определенным пространственным расположением атомов. Молекула воды имеет угловую форму, молекула углекислого газа линейна, молекула этилена С₂Н₄ плоская, молекула метана СН₄ тетраэдрическая и т. д. Теория химической связи объясняет пространственное расположение атомов в молекулах. Каждый атом образует химические связи в определенных направлениях, соответствующих наибольшему перекрыванию электронных облаков. Поэтому химические связи характеризуются направленностью.

В атомах фосфора и серы имеются неспаренные электроны на Зр-орбиталях.

С водородом они образуют молекулы РН₃ (фосфин)

и H₂S (сероводород). Углы между связями Р-Н и S-Н составляют -93°, т. е. близки к прямым углам. Очевидно, что перекрывание гантелеобразных Зр-орбиталей фосфора и серы со сферическими орбиталями водорода должно приводить к ориентации образующихся связей под прямыми углами (рис. 5.18). Молекула фосфина имеет форму трехгранной пирамиды с

атомом фосфора в вершине, а сероводород - угловая молекула.

При объяснении пространственного строения большинства других молекул, в том числе всех органических, используется представление о гибридизации атомных орбиталей. В соединениях углерода встречается линейное (С0₂), тетраэдрическое (СН₄) и плоскостное (С₂Н₄) расположения атомов вокруг атома углерода. В этих молекулах все углы далеки от прямого угла, соответствующего взаимной ориентации р-орбиталей. В линейной молекуле С0₂ угол между связями 180°. в тетраэдрической молекуле СН₄ - 109,5°,

Рис. 5.18. Перекрывание орбиталей в молекулах РН₃ и H₂S

в плоской молекуле С₂Н₄ - 120°. Это объясняется гибридизацией орбиталей атома углерода.

Гибридизация - это преобразование атомных орбиталей, при котором из нескольких орбиталей разной формы образуется такое же число одинаковых орбиталей промежуточного типа.

Наиболее часто встречаются три типа гибридизации: sp-, sp² и sp³. В sp-гибридизации участвуют по однойs- и р-орбитали данного атома. Вместо них возникают две одинаковые гибридные орбитали, направленные вдоль одной оси в противоположные стороны, т. е. под углом 180° (рис. 5.19). У атома сохраняются две обычные р-орбитали, которые могут давать я-связи.

Рис. 5.19. Схема sp-гибридизации

пример 5.8.Нарисуйте схему перекрывания орбиталей в молекуле ацетилена С₂Н₂.

РЕШЕНИЕ.Молекула ацетилена линейная (структурная формула на с. 184), на основании чего делаем заключение, что углерод находится в состоянии sp-гибридизации. Получается модель перекрывания орбиталей, показанная на рис. 5.20.

Рис. 5.20. Перекрывание орбиталей в молекуле ацетилена

Рис. 5.21. Схема sр²-гибридизации

Гибридизация s-орбитали и двух р-орбиталей дает три гибридные орбитали sp², лежащие в одной плоскости и направленные под углами 120° (рис. 5.21). Оставшаяся негибридизированная р_z-орбиталь направлена перпендикулярно к плоскости гибридных орбиталей.

Гибридизация всех s- и р-орбиталей одного уровня (sp³ - гибридизация) дает четыре одинаковые орбитали с равными углами между осями любой пары этих орбиталей (рис. 5.22). Это орбитали, дающие «тетраэдрические» молекулы: метан, хлороуглерод и множество других. sp³-Орбитали, имеющие объемную направленность, часто приводят к образованию атомных кристаллических структур, подобных структуре алмаза.

Рис. 5.22. Схема .sp³-гибридизации

Атомной кристаллической структурой называется такая структура, в которой атомы объединены сеткой ковалентных связей.

Перечисленные три вида гибридизации не исчерпывают всего разнообразия гибридных орбиталей. У металлов d-блока имеются валентные d-орбитали. Они участвуют в гибридизации с s- и р-орбиталями. Например, -гибридизация дает шесть одинаковых орбиталей, направленных от центра атома к вершинам октаэдра. Этот тип гибридизации имеется в очень многочисленных октаэдрических комплексных соединениях.