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-, sp2и 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 рz-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.