Страница 53 из 82
Рис. 14.7. Вверху: валентные электроны бора, один из которых поднят на 2p -орбиталь. Посередине: 2s-, 2px- и 2py-орбитали бора объединяются тремя способами и образуют три гибридные атомные орбитали: , и . Угол между лепестками составляет 120°. Внизу: три гибридные орбитали атома бора образуют связи с 1s-орбиталями трех атомов H
Гибридные атомные орбитали: тетраэдрические молекулы
В молекуле метана углерод создает четыре связи с четырьмя атомами водорода. Как говорилось выше и показано на рис. 14.1 и 14.2, молекула метана имеет форму тетраэдра. На рис. 14.4 видно, что для создания четырех валентных связей, совместно использующих электронные пары, углерод поднимает один из своих 2s-электронов на 2p-орбиталь. В результате у него появляется четыре неспаренных электрона на 2s-, 2px-, 2py- и 2pz-орбиталях. При обсуждении рис. 14.4 уже довольно подробно объяснялось, что эти четыре атомные орбитали не могут породить одинаковые связи с четырьмя атомами водорода и привести к появлению тетраэдрической молекулы. Поэтому 2s-, 2px-, 2py- и 2pz-орбитали объединяются в четырех различных комбинациях и образуют четыре гибридные атомные орбитали: , , и . Обозначение sp3 указывает на то, что каждая из четырех гибридных атомных орбиталей является комбинацией s-орбитали и трех различных p-орбиталей.
На рис. 14.8 показано, что четыре sp3-орбитали перекрываются с четырьмя 1s-орбиталями атомов водорода. Изображены только положительные лепестки sp3-орбиталей. Каждая из них имеет небольшой отрицательный лепесток, направленный в сторону, противоположную положительному лепестку, аналогично тому, как это показано на среднем изображении рис. 14.7 для sp2-орбиталей. Орбитали, изображенные штриховыми кривыми, лежат в плоскости страницы. Орбиталь, показанная сплошной кривой, выступает под углом над плоскостью страницы, а орбиталь, показанная штрихпунктирной линией, уходит под углом за плоскость страницы. Угол между любой парой sp3-лепестков составляет 109,5°, что обеспечивает правильную тетраэдрическую форму, о которой говорилось при обсуждении рис. 14.1 и 14.2.
На рис. 14.2 изображены молекулы метана, аммиака и воды. Как уже говорилось, все они имеют тетраэдрическую форму, если включить в рассмотрение неподеленные пары, но молекулы аммиака и воды имеют форму не совсем правильных тетраэдров. Подобно метану, аммиак и вода также используют sp3-гибридизацию для образования связей. Азот в аммиаке NH3 имеет пять валентных электронов. Два из них образуют неподеленную пару. Она не участвует в образовании химических связей. Азот использует три из своих четырех гибридных sp3-орбиталей для соединения с тремя атомами H. Четвертая sp3-орбиталь содержит неподеленную пару.
Рис. 14.8. Четыре sp3-гибридизированные атомные орбитали углерода и четыре 1s-орбитали водорода в молекуле метана, где атом углерода соединен с четырьмя атомами водорода. Штриховые орбитали лежат в плоскости страницы. Сплошная орбиталь выступает над этой плоскостью. Штрихпунктирная орбиталь лежит за плоскостью страницы. Показаны только положительные лепестки гибридных sp3-орбиталей. Четыре гибридные sp3-орбитали образуют правильный тетраэдр
Как уже говорилось, угол, образуемый связями H–N–H, немного меньше угла в правильном тетраэдре (109,5°), поскольку пространственное распределение неподеленной пары электронов несколько шире, чем у связывающей пары электронов N–H, и эта более широкая неподеленная пара подталкивает N–H-связи немного ближе друг к другу. Кислород в молекуле воды H2O имеет шесть валентных электронов. Четыре из них образуют две неподеленные пары, которые не участвуют в химической связи. Кислород использует две свои гибридные sp3-орбитали для образования связей с двумя атомами водорода. Две другие sp3-орбитали заняты неподеленными парами. Эти две неподеленные пары приводят к тому, что угол H–O–H оказывается меньше, чем угол в правильном тетраэдре, равный 109,5°(см. 14.2).
Углеводороды с одиночной связью
Углеводороды — это молекулы, целиком состоящие из атомов углерода и водорода. Мы начнем обсуждение более сложных, чем метан, углеводородов с молекул, имеющих лишь одиночные связи. Следующим по простоте углеводородом после метана является этан. Он содержит два атома углерода и шесть атомов водорода, а его химическая формула — C2H6. На рис. 14.9 строение этана представлено тремя способами. Вверху показаны только связи между атомами. Каждый атом углерода имеет одиночные связи с тремя атомами водорода и одиночную связь с другим углеродом. В средней части рисунка показаны гибридные атомные орбитали, обеспечивающие химическую связь. Для создания четырех связей, совместно использующих электронные пары, каждый атом углерода задействует четыре гибридные sp3-орбитали — так же, как и в метане. Три из этих орбиталей у каждого атома углерода служат для создания связи с тремя атомами водорода. Эти sp3-орбитали объединяются с водородными 1s-орбиталями, образуя связывающие МО, обеспечивающие -связи. Четвертая sp3-орбиталь каждого атома углерода образует МО с sp3-орбиталью другого углерода и порождает углерод-углеродную -связывающую МО.
В нижней части рис. 14.9 представлено стандартное схематическое изображение пространственного расположения атомов в молекуле. Атомы, которые связаны и лежат в плоскости страницы, соединяются сплошными линиями. Связанные атомы, которые выступают над плоскостью страницы, соединяются узкими закрашенными треугольниками, острый конец которых направлен на атом в плоскости страницы, а противолежащее ему основание располагается возле атома, выступающего над плоскостью. Связанные атомы, которые лежат за плоскостью страницы, соединяются незакрашенными треугольниками, основание которых прилегает к атому в плоскости страницы, а острый угол указывает на атом, находящийся за этой плоскостью. Из представленного схематического изображения видно, что оба атома углерода находятся в центрах тетраэдров. Между любой парой связей атома углерода имеется характерный для тетраэдра угол, равный 109,5°. Длина C–H-связи составляет 1,07 Å (1,07 · 10—10 м), а длина связи C–C — 1,54 Å. Атомы углерода крупнее атомов водорода, поэтому расстояние между центрами двух атомов углерода больше, чем в случае атомов C и H.
Рис. 14.9. Три схемы молекулы этана C2H6. Вверху: связи между атомами. В середине: каждый атом углерода имеет четыре sp3-гибридизированные атомные орбитали, три из которых связывают с атомами водорода, а четвертая — с другим атомом углерода. Сплошные кривые лежат в плоскости страницы, штриховые — над плоскостью страницы, пунктирные — за плоскостью страницы. Внизу: пространственное строение молекулы. Линии лежат в плоскости страницы; закрашенные треугольники поднимаются над плоскостью страницы; незакрашенные треугольники уходят за плоскость страницы. Конфигурация связей обоих атомов углерода тетраэдрическая с углом между связями 109,5°. Связь C–C длиннее связей C–H