Cách xác định lai hóa trong hợp chất vô cơ. Các kiểu lai áo

CÁCH MẠNG GIÁO DỤC TỰ CHỦ NHÀ NƯỚC

GIÁO DỤC NGHỀ NGHIỆP THCS TẠI KHU VỰC NOVOSIBIRSK

"TRƯỜNG CAO ĐNG Y TẾ KUPINSKY"

CÔNG CỤ

« »

vì làm việc độc lập sinh viên

trong hóa học

Chương: Hóa học hữu cơ

Đề tài: Chuyên đề hóa học hữu cơ.

Lý thuyết về cấu tạo của các hợp chất hữu cơ

Chuyên ngành: 34.02.01 "Điều dưỡng" 1 khóa học

Kupino

2015 năm học

Được xem xét tại cuộc họp

chủ đề - ủy ban phương pháp tuần hoàn trên

các ngành giáo dục phổ thông, nhân đạo chung và

kinh tế xã hội, toán học

và chu trình khoa học tự nhiên

Nghị định thư từ 2015

Chủ tịch ______________ /__________________/

Vede Irina Viktorovna

Ghi chú giải thíchđến hướng dẫn phương pháp

Bộ công cụđược thiết kế để nghiên cứu sâu về chủ đề « Các kiểu lai hóa nguyên tử cacbon ».

Thực tiễn cho thấy, nhiều học sinh gặp khó khăn trong việc xác định các kiểu lai hóa của nguyên tử cacbon và loài liên kết hóa học trong nghiên cứu các hợp chất hữu cơ.

Mục đích của tài liệu này là giúp học sinh biết cách xác định các dạng lai hóa của nguyên tử cacbon và các dạng liên kết hóa học trong hợp chất hữu cơ. Sách hướng dẫn này được giới thiệu cho sinh viên năm thứ nhất của chuyên ngành 34.02.01 Điều dưỡng. Sách hướng dẫn gồm tài liệu lý thuyết về chủ đề, bảng hệ thống hóa kiến thức, bài tập làm bài độc lập và đáp án chi tiết cho từng nhiệm vụ.

Hướng dẫn này nhằm mục đích phát triển các kỹ năng làm việc độc lập với Tài liệu giáo dục, việc thực hiện tìm kiếm và sử dụng thông tin, hình thành và phát triển tiềm năng sáng tạo, ngày càng quan tâm đến ngành học.

Tôi luôn sẵn sàng học hỏi

nhưng tôi không phải lúc nào cũng thích nó

khi họ dạy tôi

W. Churchill

Các kiểu lai hóa nguyên tử cacbon

Cấu trúc điện tử của nguyên tử cacbon ở trạng thái cơ bản là 1s 2 2s 2 2p 2, có hai electron chưa ghép đôi trên obitan p bậc 2. Điều này cho phép nguyên tử cacbon chỉ hình thành hai liên kết cộng hóa trị theo cơ chế trao đổi. Tuy nhiên, trong tất cả các hợp chất hữu cơ, cacbon tạo thành bốn liên kết cộng hóa trị, điều này có thể trở thành kết quả của sự lai hóa các obitan nguyên tử.

Lai hóa là sự tương tác của các obitan nguyên tử có giá trị năng lượng gần nhau, kèm theo sự hình thành các obitan "lai" mới.

Lai hóa là một quá trình đòi hỏi chi phí năng lượng, nhưng những chi phí này nhiều hơn được bù đắp bởi năng lượng giải phóng trong quá trình hình thành hơn liên kết hóa trị. các obitan "lai" tạo thành có hình dạng giống như một quả tạ không đối xứng và khác biệt rõ rệt với các obitan ban đầu của nguyên tử cacbon.

Ba kiểu lai hóa có thể xảy ra đối với một nguyên tử cacbon: sp 3 -hybridization- các quỹ đạo tương tác được hiển thị bằng các mũi tên màu xanh lam:

sp 2 -hybridization:

lai hóa sp:

Các obitan lai hóa của nguyên tử cacbon có thể tham gia vào quá trình hình thành liên kết duy nhất, obitan p không bị ảnh hưởng bởi hình thức lai hóa chỉ liên kết-liên kết. Chính đặc điểm này quyết định cấu trúc không gian của phân tử chất hữu cơ.

Sự lai ghép
obitan nguyên tử của cacbon

Liên kết hóa học cộng hóa trị được hình thành bằng cách sử dụng các cặp electron liên kết chung thuộc loại:

Hình thành một liên kết hóa học, tức là chỉ các điện tử chưa ghép đôi mới có thể tạo ra một cặp điện tử chung với một điện tử “ngoại lai” từ nguyên tử khác. Khi viết công thức điện tử, các electron chưa ghép đôi sẽ lần lượt nằm trong ô quỹ đạo.
quỹ đạo nguyên tử là một hàm mô tả mật độ của đám mây electron tại mỗi điểm trong không gian xung quanh hạt nhân nguyên tử. Đám mây điện tử là một vùng không gian trong đó có thể tìm thấy một điện tử với xác suất cao.
Để thỏa thuận cấu trúc điện tử nguyên tử cacbon và hóa trị của nguyên tố này sử dụng khái niệm về sự kích thích của nguyên tử cacbon. Ở trạng thái bình thường (không bị kích thích), nguyên tử cacbon có hai chưa ghép đôi 2 R 2 electron. Ở trạng thái kích thích (khi năng lượng bị hấp thụ) một trong 2 S 2 electron có thể chuyển sang tự do R-vòng sống. Sau đó, bốn điện tử chưa ghép đôi xuất hiện trong nguyên tử cacbon:

Nhớ lại rằng trong công thức điện tử của nguyên tử (ví dụ, đối với cacbon 6 C - 1 S 2 2S 2 2P 2) các số lớn phía trước các chữ cái - 1, 2 - cho biết số của mức năng lượng. Bức thư S Và R cho biết hình dạng của đám mây electron (các obitan), và các số ở bên phải phía trên các chữ cái cho biết số lượng electron trong một quỹ đạo nhất định. Mọi điều S- các obitan hình cầu:

Ở mức năng lượng thứ hai ngoại trừ 2 S-có ba obitan 2 R- ghi nợ. 2 cái này R-orbitals có dạng hình elip, tương tự như quả tạ và được định hướng trong không gian một góc 90 ° với nhau. 2 R-Orbitals biểu thị 2 R X , 2R y và 2 R z theo các trục mà các obitan này nằm dọc theo.

Hình dạng và Định hướng
obitan p-electron

Khi các liên kết hóa học được hình thành, các obitan electron thu được hình dạng giống nhau. Vì vậy, trong các hydrocacbon no, một S-vital và ba R-bitals của một nguyên tử carbon để tạo thành bốn giống hệt nhau (lai hóa) sp 3-obitan:

Cái này - sp 3 - phép lai.
Sự lai ghép- sự liên kết (trộn lẫn) của các obitan nguyên tử ( S Và R) với sự hình thành các obitan nguyên tử mới, được gọi là quỹ đạo lai.

Bốn obitan lai hóa sp 3
nguyên tử cacbon

Các obitan lai hóa có hình dạng không đối xứng, kéo dài về phía nguyên tử đính kèm. Các đám mây electron đẩy nhau và nằm trong không gian càng xa nhau càng tốt. Đồng thời, trục bốn sp 3-quỹ đạo lai biến ra hướng các đỉnh của tứ diện (hình chóp tam giác đều).
Theo đó, các góc giữa các obitan này là tứ diện, bằng 109 ° 28 ”.
Đỉnh của obitan electron có thể trùng với obitan của nguyên tử khác. Nếu các đám mây electron chồng lên nhau dọc theo đường nối các tâm nguyên tử, thì liên kết cộng hóa trị như vậy được gọi là sigma ( )-liên kết. Ví dụ, trong phân tử C 2 H 6 etan, một liên kết hóa học được hình thành giữa hai nguyên tử cacbon bằng cách xen phủ hai obitan lai hóa. Đây là một kết nối. Ngoài ra, mỗi nguyên tử cacbon với ba sp 3 obitan xen phủ với S-bitals của ba nguyên tử hydro, tạo thành ba liên kết.

Sơ đồ các đám mây electron chồng lên nhau
trong phân tử etan

Tổng cộng, ba trạng thái hóa trị với các kiểu lai hóa khác nhau có thể xảy ra đối với một nguyên tử cacbon. ngoại trừ sp Lai 3 tồn tại sp 2 và sp-sự kết hợp.
sp 2 -Sự lai ghép- trộn một S- và hai R- ghi nợ. Kết quả là ba lai sp 2-ghi nợ. Này sp 2 -orbitals nằm trong cùng một mặt phẳng (có trục X, tại) và hướng đến các đỉnh của tam giác với góc giữa các obitan là 120 °. không kết hợp
R-vĩ đạo vuông góc với mặt phẳng ba lai. sp 2 obitan (định hướng dọc theo trục z). Nửa trên R-orbitals ở trên mặt phẳng, nửa dưới ở dưới mặt phẳng.
Thể loại sp Phép lai 2 của cacbon xảy ra trong các hợp chất có một liên kết đôi: C = C, C = O, C = N. Hơn nữa, chỉ một trong các liên kết giữa hai nguyên tử (ví dụ, C = C) có thể là liên kết. (Các obitan liên kết khác của nguyên tử chuyển động ngược chiều nhau.) Liên kết thứ hai được hình thành do sự xen phủ không lai hóa R-bitals ở hai phía của đường nối các hạt nhân của nguyên tử.

Quỹ đạo (ba sp 2 và một p)
nguyên tử cacbon trong lai hóa sp 2

Liên kết cộng hóa trị được hình thành do sự xen phủ bên R-bitals của các nguyên tử cacbon lân cận được gọi là số Pi( )-liên kết.

Giáo dục
- thông tin liên lạc

Do sự chồng chéo của các obitan ít hơn, -bond ít mạnh hơn -bond.
sp-Sự lai ghép là sự pha trộn (sự liên kết về hình thức và năng lượng) của một S- và một
R-orbitals với sự hình thành của hai phép lai sp- ghi nợ. sp- Các quỹ đạo nằm trên cùng một đường thẳng (một góc 180o) và hướng ngược chiều so với hạt nhân nguyên tử cacbon. Hai
R-orbitals vẫn không bị ràng buộc. Chúng được đặt vuông góc với nhau.
chỉ đường - kết nối. Trên hình ảnh sp-orbitals được hiển thị dọc theo trục y và hai
R-orbitals - dọc theo các trục X Và z.

Các obitan nguyên tử (hai sp và hai p)
cacbon ở trạng thái lai hóa sp

Liên kết ba carbon-carbon CC bao gồm một -bond xuất hiện khi chồng lên nhau
sp-các obitan lai hóa, và hai liên kết.
Mối quan hệ giữa các thông số như vậy của nguyên tử cacbon như số lượng nhóm gắn, kiểu lai hóa và các loại liên kết hóa học được hình thành được thể hiện trong Bảng 4.

Liên kết cộng hóa trị của cacbon

Số lượng nhóm
có liên quan
với carbon

Thể loại
sự lai tạo

Các loại
tham gia
liên kết hóa học

Ví dụ về công thức hợp chất

sp 3

Bốn - thông tin liên lạc

sp 2

Ba - thông tin liên lạc và
một là kết nối

Hai - thông tin liên lạc
và hai kết nối

H-CC-H

Bài tập.

1. Những electron nào của nguyên tử (ví dụ, cacbon hoặc nitơ) được gọi là chưa ghép đôi?

2. Khái niệm "cặp electron dùng chung" có nghĩa là gì trong các hợp chất có liên kết cộng hóa trị (ví dụ: CH 4 hoặc H 2 S )?

3. Trạng thái điện tử của nguyên tử là gì (ví dụ, TỪ hoặc n ) được gọi là cơ bản, và cái nào được kích thích?

4. Các số và chữ cái có ý nghĩa gì trong công thức điện tử của nguyên tử (ví dụ: TỪ hoặc n )?

5. Obitan nguyên tử là gì? Có bao nhiêu obitan ở mức năng lượng thứ hai của nguyên tử TỪ và chúng khác nhau như thế nào?

6. Sự khác biệt giữa các obitan lai hóa và các obitan nguyên thủy mà chúng được hình thành?

7. Nguyên tử cacbon đã biết những kiểu lai hoá nào và chúng là gì?

Đáp án bài tập

1. Các điện tử là một trên mỗi quỹ đạo được gọi là các điện tử chưa ghép đôi. Ví dụ, trong công thức nhiễu xạ điện tử của nguyên tử cacbon bị kích thích, có bốn điện tử chưa ghép đôi và nguyên tử nitơ có ba:

2. Hai electron tham gia tạo thành một liên kết hóa học được gọi là một cặp electron chung. Thông thường, trước khi hình thành liên kết hóa học, một trong các điện tử của cặp này thuộc về một nguyên tử, và điện tử kia thuộc về nguyên tử khác:

3. Trạng thái điện tử của nguyên tử, trong đó thứ tự lấp đầy của các obitan điện tử được quan sát: 1s 2, 2s 2, 2p 2, 3s 2, 3p 2, 4s 2, 3d 2, 4p 2, v.v., được gọi là mặt đất tình trạng. Ở trạng thái kích thích, một trong các electron hóa trị của nguyên tử chiếm một quỹ đạo tự do có năng lượng cao hơn, sự chuyển đổi như vậy đi kèm với sự phân tách của các electron ghép đôi. Sơ đồ nó được viết như thế này:

Trong khi ở trạng thái cơ bản chỉ có hai điện tử hóa trị chưa ghép đôi thì ở trạng thái kích thích có bốn điện tử như vậy.

5. Quỹ đạo nguyên tử là một hàm mô tả mật độ của đám mây electron tại mỗi điểm trong không gian xung quanh hạt nhân của một nguyên tử nhất định. Có bốn obitan ở mức năng lượng thứ hai của nguyên tử cacbon - 2s, 2p x, 2p y, 2p z. Các quỹ đạo này là:
a) hình dạng của đám mây electron (s là quả bóng, p là quả tạ);
b) Các obitan p có định hướng khác nhau trong không gian - dọc theo các trục x, y và z vuông góc với nhau, chúng được ký hiệu là p x, p y, p z.

6. Các obitan lai hóa khác với các obitan nguyên thủy (không lai hóa) về hình dạng và năng lượng. Ví dụ, quỹ đạo s là hình cầu, p là hình 8 đối xứng, quỹ đạo lai sp là hình 8 không đối xứng.
Sự khác biệt về năng lượng: E (s)< E(sр) < E(р). Таким образом, sp-орбиталь – усредненная по форме и энергии орбиталь, полученная смешиванием исходных s- и p-орбиталей.

7. Nguyên tử cacbon đã biết có 3 kiểu lai hóa: sp 3, sp 2 và sp (xem SGK bài 5).

9. -bond - một liên kết cộng hóa trị được hình thành do sự chồng chéo trực diện của các obitan dọc theo đường nối các tâm nguyên tử.
-bond - một liên kết cộng hóa trị được hình thành do sự xen phủ bên của các obitan p ở cả hai phía của đường nối các tâm nguyên tử.
- Liên kết được thể hiện bằng đường thứ hai và thứ ba giữa các nguyên tử liên kết.

10.

Trong quá trình xác định hình dạng hình học hạt hóa học, điều quan trọng là phải tính đến các cặp electron hóa trị của nguyên tử chính, bao gồm cả những electron không tạo liên kết hóa học, ở khoảng cách rất xa với nhau trong không gian.

Tính năng thuật ngữ

Khi xem xét vấn đề liên kết cộng hóa trị, một khái niệm thường được sử dụng là sự lai hóa của các obitan nguyên tử. Thuật ngữ này liên quan đến sự liên kết của hình thức và năng lượng. Sự lai hoá các obitan nguyên tử gắn liền với quá trình sắp xếp lại lượng tử-hoá học. Các quỹ đạo so với các nguyên tử ban đầu có cấu tạo khác. Thực chất của sự lai hoá là electron nằm cạnh hạt nhân. nguyên tử liên kết, được xác định không phải bởi một quỹ đạo nguyên tử cụ thể, mà bởi sự kết hợp của chúng với một số lượng tử chính bằng nhau. Hầu hết quá trình này quan tâm cao hơn, gần với các obitan nguyên tử năng lượng có các electron.

Quy trình cụ thể

Các kiểu lai hóa của các nguyên tử trong phân tử phụ thuộc vào cách thức xảy ra sự định hướng của các obitan mới. Theo kiểu lai hoá, người ta có thể xác định dạng hình học của ion hoặc phân tử, gợi ý các đặc điểm về tính chất hoá học.

Các kiểu lai

Kiểu lai hóa này, giống như sp, là một cấu trúc tuyến tính, góc giữa các liên kết là 180 độ. Một ví dụ về phân tử có dạng lai hóa tương tự là BeCl 2.

Kiểu lai tiếp theo là sp 2. Các phân tử có đặc điểm là có dạng hình tam giác, góc giữa các liên kết là 120 độ. Một ví dụ điển hình của một dạng lai hóa như vậy là BCl 3.

Kiểu lai hóa sp 3 gợi ý cấu trúc tứ diện của phân tử, một ví dụ điển hình Chất có dạng lai hóa này là phân tử CH 4 metan. Góc liên kết trong trường hợp này là 109 độ 28 phút.

Không chỉ các electron ghép đôi mà các cặp electron chưa phân li cũng trực tiếp tham gia vào quá trình lai hóa.

Sự lai hóa trong một phân tử nước

Ví dụ, trong phân tử nước, có hai liên kết cộng hóa trị có cực giữa nguyên tử oxy và nguyên tử hydro. Ngoài ra, bản thân nguyên tử oxi có hai cặp electron ngoài cùng không tham gia vào quá trình tạo liên kết hóa học. 4 cặp electron này trong không gian chiếm một vị trí nhất định xung quanh nguyên tử oxy. Vì chúng đều có điện tích như nhau nên chúng đẩy nhau trong không gian, các đám mây electron ở cách nhau một khoảng đáng kể. Kiểu lai hóa các nguyên tử trong một chất nhất định liên quan đến sự thay đổi hình dạng của các obitan nguyên tử, chúng bị kéo dài và thẳng hàng với các đỉnh của tứ diện. Kết quả là, phân tử nước thu được hình dạng góc cạnh, giữa các liên kết góc liên kết oxy-hydro là 104,5 o.

Để dự đoán kiểu lai hóa, người ta có thể sử dụng cơ chế cho-nhận của sự hình thành liên kết hóa học. Kết quả là, các obitan tự do của nguyên tố có độ âm điện thấp hơn trùng nhau, cũng như obitan của nguyên tố có độ âm điện lớn hơn, trên đó có một cặp electron. Trong quá trình biên soạn cấu hình điện tử của nguyên tử, trạng thái oxy hóa của chúng được tính đến.

Quy tắc xác định kiểu lai

Để xác định kiểu lai hóa cacbon, có thể sử dụng các quy tắc nhất định:

xác định nguyên tử trung tâm, tính số liên kết σ;
đưa vào hạt trạng thái oxi hóa của nguyên tử;
viết cấu hình điện tử của nguyên tử chính ở trạng thái oxi hóa mong muốn;
lập sơ đồ phân bố dọc theo quỹ đạo của các electron hóa trị, ghép đôi các electron;
phân bổ các obitan tham gia trực tiếp vào quá trình hình thành liên kết, tìm các electron chưa ghép đôi (nếu số obitan hóa trị không đủ để lai hóa thì sử dụng các obitan của mức năng lượng tiếp theo).

Dạng hình học của phân tử được xác định bởi kiểu lai hóa. Nó không bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của liên kết pi. Trong trường hợp liên kết bổ sung, có thể thay đổi góc liên kết, nguyên nhân là do lực đẩy lẫn nhau của các electron tạo thành liên kết bội. Vì vậy, trong phân tử oxit nitric (4) trong quá trình lai hóa sp 2, góc liên kết tăng từ 120 độ đến 134 độ.

Sự lai hóa trong phân tử amoniac

Một cặp electron không được chia sẻ ảnh hưởng đến mômen lưỡng cực của toàn bộ phân tử. Amoniac có cấu trúc tứ diện với một cặp electron không chia sẻ. Độ ion của liên kết nitơ-hydro và nitơ-flo là 15 và 19 phần trăm, độ dài được xác định tương ứng là 101 và 137 pm. Do đó, phân tử nitơ florua nên có momen lưỡng cực lớn hơn, nhưng kết quả thí nghiệm lại chỉ ra điều ngược lại.

Lai hóa trong các hợp chất hữu cơ

Mỗi loại hiđrocacbon có kiểu lai hoá riêng. Vì vậy, trong sự hình thành các phân tử thuộc phân lớp ankan (hiđrocacbon no), cả 4 electron của nguyên tử cacbon tạo thành obitan lai hóa. Khi chúng chồng lên nhau, 4 đám mây lai được hình thành, thẳng hàng với các đỉnh của tứ diện. Hơn nữa, các đỉnh của chúng chồng lên nhau với các obitan s không lai của hydro, tạo thành một liên kết đơn. Các hiđrocacbon no có đặc điểm là lai hóa sp 3.

Đối với anken không no (của chúng một đại diện điển hình là etylen) chỉ có ba obitan electron tham gia lai hóa - s và 2 p, ba obitan lai hóa tạo thành một tam giác trong không gian. Các obitan p không lai hóa xen phủ nhau tạo liên kết bội trong phân tử. Loại hydrocacbon hữu cơ này được đặc trưng bởi trạng thái lai hóa sp 2 của nguyên tử cacbon.

Alkynes khác với các nhóm hydrocacbon trước ở chỗ chỉ có hai loại obitan tham gia vào quá trình lai hóa: s và p. Hai electron p không lai hóa còn lại ở mỗi nguyên tử cacbon xen phủ theo hai hướng, tạo thành hai liên kết bội. Loại hydrocacbon này được đặc trưng bởi trạng thái lai hóa sp của nguyên tử cacbon.

Phần kết luận

Bằng cách xác định kiểu lai hóa trong phân tử, có thể giải thích cấu trúc của các chất vô cơ và hữu cơ khác nhau, dự đoán khả Tính chất hóa học chất cụ thể.

Một trong những nhiệm vụ của hóa học là nghiên cứu cấu trúc của vật chất, bao gồm cả việc làm sáng tỏ cơ chế hình thành các kết nối khác nhau từ các chất đơn giản được tạo thành bởi các nguyên tử của một nguyên tố hóa học. Đặc điểm của sự tương tác của các nguyên tử, chính xác hơn, các thành phần mang điện trái dấu của chúng - vỏ electron và hạt nhân - được mô tả là các loại khác nhau liên kết hóa học. Vì vậy, các chất được hình thành thông qua một liên kết cộng hóa trị, theo mô tả về nó vào năm 1931, nhà hóa học người Mỹ L. Pauling đã đề xuất một mô hình lai hóa các obitan nguyên tử.

Khái niệm về liên kết cộng hóa trị

Trong những trường hợp, trong quá trình tương tác, xảy ra sự hình thành một cặp mây electron hóa trị chung của hai nguyên tử, chúng nói lên liên kết cộng hóa trị. Kết quả của sự xuất hiện của nó, hạt nhỏ nhất của một đơn giản hoặc chất phức tạp- phân tử.

Một trong những đặc điểm của liên kết cộng hóa trị là tính định hướng của nó - một hệ quả hình dáng phức tạp các obitan điện tử p, d và f, không sở hữu tính đối xứng cầu, có định hướng không gian nhất định. Một lần nữa tính năng quan trọng thuộc loại này liên kết hoá học - độ bão hoà do một số đám mây ngoài - hoá trị trong nguyên tử có hạn. Đó là lý do tại sao sự tồn tại của một phân tử, ví dụ, H 2 O, là có thể, nhưng H 5 O thì không.

Các loại liên kết cộng hóa trị

Sự hình thành các cặp electron dùng chung có thể xảy ra những cách khác. Trong cơ chế hình thành liên kết cộng hóa trị vai trò quan trọngđóng vai trò bản chất của sự chồng chéo đám mây và tính đối xứng không gian của đám mây kết quả. Theo tiêu chí này, L. Pauling đề nghị phân biệt các loại sau:

Liên kết sigma (σ) được phân biệt bởi mức độ xen phủ lớn nhất dọc theo trục đi qua các hạt nhân nguyên tử. Ở đây mật độ của đám mây sẽ là tối đa.
Liên kết pi (π) được hình thành trong sự xen phủ bên và đám mây electron, theo đó, có mật độ cao nhất bên ngoài trục kết nối các hạt nhân.

Các đặc điểm không gian này là tầm quan trọng lớn trong chừng mực chúng tương quan với các thông số năng lượng của liên kết cộng hóa trị.

Đặc điểm của phân tử đa nguyên tử

Khái niệm lai hoá được Pauling đưa ra để giải thích một trong những đặc điểm của liên kết cộng hoá trị trong phân tử đa nguyên tử. Người ta biết rằng các liên kết được hình thành bởi nguyên tử trung tâm trong các phân tử như vậy hóa ra giống hệt nhau về đặc điểm không gian và năng lượng. Điều này xảy ra bất kể obitan nào (s, p hoặc d) tham gia vào việc hình thành một cặp electron chung.

Rất thoải mái và ví dụ tốtđể minh họa hiện tượng này là nguyên tử cacbon. Khi tham gia liên kết hóa học, nguyên tử ở trạng thái kích thích có 4 obitan hóa trị: 2s, 2p x, 2p y và 2p z. Ba quỹ đạo cuối cùng khác với quỹ đạo 2s về năng lượng và hình dạng. Tuy nhiên, trong phân tử, ví dụ, trong phân tử metan CH 4, cả bốn liên kết đều hoàn toàn tương đương và có góc liên kết là 109,5 ° (trong khi obitan p nằm ở góc 90 °). Trong các hợp chất cacbon khác, góc liên kết 120 ° và 180 ° xảy ra; trong phân tử có chứa nitơ (amoniac NH 3) và oxy (nước H 2 O), các góc này là 107,5 ° và 104,5 °. Sự xuất hiện của các góc liên kết như vậy cũng cần một lời giải thích.

Bản chất của hiện tượng

Ý tưởng của sự lai hóa là tạo thành các obitan trung bình bằng các đám mây electron chồng lên nhau loại khác với các giá trị năng lượng gần nhau - s, p, đôi khi là d. Số lượng các obitan lai hóa tương ứng với số lượng các đám mây chồng lên nhau. Vì quỹ đạo là xác suất xác định của việc tìm thấy điện tử tại một điểm cụ thể trong nguyên tử, nên quỹ đạo lai là sự chồng chất của các hàm sóng xảy ra do sự chuyển đổi điện tử khi một nguyên tử bị kích thích. Nó dẫn đến sự xuất hiện của các hàm sóng tương đương chỉ khác nhau về hướng.

Các obitan lai có năng lượng tương đương và có hình dạng giống nhau ở dạng khối 8, có tính bất đối xứng mạnh đối với hạt nhân. Năng lượng tiêu tốn cho quá trình lai hóa ít hơn so với năng lượng được giải phóng trong quá trình hình thành liên kết cộng hóa trị mạnh với các obitan lai hóa, vì vậy quá trình này là thuận lợi về mặt năng lượng, tức là có khả năng xảy ra cao nhất.

sự lai giữa các obitan và hình học của phân tử

Có thể được Các tùy chọn khác nhau sự xen phủ (trộn lẫn) của các đám mây electron bên ngoài trong nguyên tử. Phổ biến nhất là các loại sau Xếp chồng quỹ đạo:

Lai hóa sp 3. Biến thể này được thực hiện bằng cách chồng một obitan s và ba obitan p. Nó dẫn đến bốn obitan lai hóa, các trục của chúng hướng cho bất kỳ cặp nào ở góc 109,5 °, tương ứng với lực đẩy lẫn nhau tối thiểu của các electron. Khi các obitan này liên kết σ với các nguyên tử khác, phân tử có cấu hình tứ diện được hình thành, ví dụ, metan, etan C 2 H 6 (sự kết hợp của hai tứ diện), amoniac, nước. Trong phân tử amoniac, một và trong phân tử nước, hai trong số các đỉnh của tứ diện bị chiếm bởi các cặp electron không chia sẻ, dẫn đến giảm góc liên kết.
Sự lai hóa sp 2 xảy ra khi một obitan s và hai obitan p kết hợp với nhau. Trong trường hợp này, ba obitan lai hóa nằm ở góc 120 ° trong cùng một mặt phẳng. Ví dụ, một hình tam giác tương tự có các phân tử bo triclorua BCl 3, được sử dụng trong các công nghệ khác nhau. Một ví dụ khác - phân tử etylen - được hình thành do một liên kết π bổ sung giữa các nguyên tử cacbon, trong đó một obitan p không lai hóa và định hướng vuông góc với mặt phẳng tạo bởi hai tam giác.
Sự lai hóa sp xảy ra khi một obitan s và một obitan p trộn lẫn với nhau. Hai đám mây lai nằm ở góc 180 ° và phân tử có cấu hình tuyến tính. Ví dụ như phân tử beri clorua BeCl 2 hoặc axetilen C 2 H 2 (trong trường hợp này, hai obitan p không lai hóa của cacbon tạo thành liên kết π bổ sung).

Có nhiều các tùy chọn phức tạp lai giữa các obitan nguyên tử: sp 3 d, sp 3 d 2 và các obitan khác.

Vai trò của mô hình lai

Khái niệm của Pauling đưa ra một mô tả định tính tốt về cấu trúc của phân tử. Nó thuận tiện và minh họa, và giải thích thành công một số đặc điểm của hợp chất cộng hóa trị, chẳng hạn như độ lớn của các góc liên kết hoặc sự liên kết của độ dài của một liên kết hóa học. Tuy nhiên, mặt định lượng của mô hình không thể được coi là thỏa đáng, vì nó không cho phép đưa ra nhiều dự đoán quan trọng liên quan đến các hiệu ứng vật lý liên quan đến các đặc điểm cấu trúc của phân tử, ví dụ, phổ quang điện tử phân tử. Bản thân tác giả của khái niệm lai ghép đã lưu ý những thiếu sót của nó vào đầu những năm 1950.

Tuy nhiên, mô hình lai giữa các obitan nguyên tử đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của các ý tưởng hiện đại về cấu trúc của vật chất. Trên cơ sở đó, các khái niệm đầy đủ hơn đã được phát triển, ví dụ, lý thuyết về lực đẩy của các cặp electron. Do đó, tất nhiên, mô hình lai cột mốc trong sự phát triển của hóa học lý thuyết, và trong việc mô tả một số khía cạnh của cấu trúc điện tử của phân tử, nó khá áp dụng ở thời điểm hiện tại.

Các phép lai phổ biến nhất là sp, sp 2, sp 3 và sp 3 d 2. Mỗi kiểu lai hóa ứng với một cấu trúc không gian nhất định của các phân tử chất.

lai hóa sp. Kiểu lai hóa này được quan sát khi một nguyên tử hình thành hai liên kết do các electron nằm trên obitan s và trên cùng obitan p (có cùng mức năng lượng). Trong trường hợp này, hai obitan lai hóa được hình thành, hướng ngược chiều nhau một góc 180 º (Hình 22).

Cơm. 22. Sơ đồ lai hóa sp

Trong quá trình lai hóa sp, các phân tử triat nguyên mạch thẳng thuộc loại AB 2 được hình thành, trong đó A là nguyên tử trung tâm, trong đó xảy ra lai hóa và B là các nguyên tử liên kết, trong đó không xảy ra lai hóa. Các phân tử như vậy được hình thành bởi các nguyên tử berili, magiê, cũng như các nguyên tử cacbon trong axetylen (C 2 H 2) và cacbon đioxit (CO 2).

Ví dụ 5 Giải thích liên kết hóa học trong phân tử BeH 2 và BeF 2 và cấu trúc của các phân tử này.

Giải pháp. Nguyên tử berili ở trạng thái bình thường không hình thành liên kết hóa học, vì không có electron chưa ghép đôi (2s 2). Ở trạng thái kích thích (2s 1 2p 1), các electron ở các obitan khác nhau, do đó, khi các liên kết được hình thành, sự lai hóa sp xảy ra theo sơ đồ trong Hình. 22. Hai nguyên tử hydro hoặc flo được gắn vào hai obitan lai hóa, như trong hình. 23.

1) 2)

Cơm. 23. Sơ đồ hình thành các phân tử BeH 2 (1) và BeF 2 (2)

Các phân tử tạo thành là tuyến tính, góc liên kết là 180º.

Ví dụ 6 Theo dữ liệu thực nghiệm, phân tử CO 2 là tuyến tính, và cả hai liên kết của cacbon với oxy đều giống nhau về độ dài (0,116 nm) và năng lượng (800 kJ / mol). Dữ liệu này được giải thích như thế nào?

Giải pháp. Dữ liệu về phân tử carbon dioxide này giải thích mẫu tiếp theo trình độ học vấn của cô ấy.

Nguyên tử cacbon tạo liên kết ở trạng thái kích thích, trong đó nó có 4 electron chưa ghép đôi: 2s 1 2p 3. Khi các liên kết được hình thành, sự lai hóa sp của các obitan xảy ra. Các obitan lai hoá hướng theo một đường thẳng ngược hướng với hạt nhân nguyên tử, và hai obitan p thuần (không lai hoá) còn lại nằm vuông góc với nhau và với các obitan lai hoá. Tất cả các obitan (lai và không lai) đều chứa một điện tử chưa ghép đôi.

Mỗi nguyên tử oxy, có hai electron chưa ghép đôi ở hai obitan p vuông góc với nhau, được gắn với nguyên tử cacbon bằng liên kết s và liên kết p: liên kết s được hình thành với sự tham gia của quỹ đạo cacbon lai hóa, và một liên kết p được hình thành bằng cách chồng lên nhau các obitan p nguyên chất của nguyên tử cacbon và oxy. Sự hình thành các liên kết trong phân tử CO 2 được thể hiện trong Hình. 24.

Cơm. 24. Sơ đồ hình thành phân tử CO 2

Độ đa liên kết bằng hai giải thích độ bền liên kết lớn hơn, và sự lai hóa sp giải thích cấu trúc mạch thẳng của phân tử.

Sự trộn lẫn của một obitan s và hai obitan p được gọi là lai hóa sp 2. Với phép lai này, thu được ba obitan q tương đương, nằm trong cùng một mặt phẳng với góc 120º (Hình 25).

Cơm. 25. Sơ đồ lai sp 2

Các phân tử loại AB 3 được hình thành trong quá trình lai này có dạng tam giác vuông với nguyên tử A ở trung tâm và nguyên tử B ở đỉnh của nó. Sự lai hóa như vậy xảy ra trong nguyên tử bo và các nguyên tố khác của nhóm thứ ba và trong nguyên tử cacbon trong phân tử C 2 H 4 và trong ion CO 3 2-.

Ví dụ 7 Giải thích sự hình thành liên kết hóa học trong phân tử ВН 3 và cấu trúc của nó.

Giải pháp. Thực nghiệm nghiên cứu chỉ ra rằng trong phân tử BH 3 cả ba liên kết B – H đều nằm trong cùng một mặt phẳng, góc giữa các liên kết là 120º. Cấu trúc này của phân tử được giải thích là do các obitan hóa trị chiếm bởi các electron chưa ghép đôi (2s 1 2p 2) được trộn lẫn trong nguyên tử bo ở trạng thái kích thích và nó tạo liên kết với các obitan lai hóa sp 2. Sơ đồ của phân tử VN 3 được thể hiện trong Hình. 26.

Cơm. 26. Sơ đồ hình thành phân tử ВН 3

Nếu một obitan s và ba obitan p tham gia lai hóa ( lai hóa sp 3), kết quả là bốn obitan lai hóa được hình thành, hướng về các đỉnh của tứ diện, tức là được định hướng theo các góc 109º28 ¢ (~ 109,5º) với nhau. Các phân tử tạo thành có cấu trúc tứ diện. Sự lai hóa kiểu này giải thích cấu trúc của hydrocacbon no, hợp chất cacbon với halogen, nhiều hợp chất silic, cation amoni NH 4 +, v.v ... Một ví dụ cổ điển của kiểu lai hóa này là phân tử metan CH 4 (Hình 27)

Cơm. 27. Sơ đồ hình thành liên kết hóa học trong phân tử CH 4

Nếu một obitan s-, ba p- và hai obitan d tham gia lai hóa ( sp 3 d 2 - phép lai), sau đó sáu obitan lai hóa xuất hiện, hướng đến các đỉnh của khối bát diện, tức là định hướng với nhau các góc 90º. Các phân tử tạo thành có cấu trúc bát diện. Sự lai tạo kiểu này giải thích cấu trúc của các hợp chất của lưu huỳnh, selen và tellurium với các halogen, ví dụ, SF 6 và SeF 6, và nhiều ion phức: 2–, 3–, v.v. Trên hình. 28 cho thấy sự hình thành phân tử lưu huỳnh hexaflorua.

Cơm. 28. Sơ đồ của phân tử SF 6

Liên kết hóa học liên quan đến các obitan lai hóa rất mạnh. Nếu năng lượng liên kết s được tạo thành bởi các obitan s "nguyên chất" là sự thống nhất thì năng lượng liên kết trong quá trình lai hóa sp sẽ là 1,43, với phép lai hóa sp 2 là 1,99, phép lai hóa sp 3 là 2,00 và với phép lai hóa sp 3 d 2 là 2,92 . Sự gia tăng độ bền liên kết được giải thích là do sự xen phủ hoàn chỉnh hơn của các obitan lai hóa với các obitan không lai hóa trong quá trình hình thành liên kết hóa học.

Ngoài các kiểu lai được coi là, trong các hợp chất hóa học có các phép lai sp 2 d, sp 3 d, sp 3 d 3, sp 3 d 3 và các phép lai khác. Với phép lai hóa sp 2 d, các phân tử và ion có dạng hình vuông, với phép lai hóa sp 3 d, chúng có hình dạng của một bipyramid tam giác, và với phép lai hóa sp 3 d 3, một bipyramid ngũ giác. Các kiểu lai tạo khác rất hiếm.

Ví dụ 8 Phương trình của hai phản ứng giống nhau được đưa ra:

1) CF 4 + 2HF = H 2 CF 6; 2) SiF 4 + 2HF = H 2 SiF 6

Điều nào trong số đó là không thể theo quan điểm của sự hình thành các liên kết hóa học?

Giải pháp.Để hình thành H 2 CF 6, cần phải lai hóa sp 3 d 2, nhưng trong nguyên tử cacbon, các electron hóa trị ở mức năng lượng thứ hai, trong đó không có obitan d. Do đó, phản ứng đầu tiên về nguyên tắc là không thể xảy ra. Phản ứng thứ hai có thể xảy ra vì silic có thể lai hóa sp 3 d 2.

Năm 1930, Slater và L. Pauling đã phát triển lý thuyết về sự hình thành liên kết cộng hóa trị do sự xen phủ của các obitan điện tử - phương pháp của liên kết hóa trị. Phương pháp này dựa trên phương pháp lai hóa, mô tả sự hình thành các phân tử của các chất do sự “trộn lẫn” của các obitan lai hóa (“sự trộn lẫn” không phải là các electron, mà là các obitan).

ĐỊNH NGHĨA

Sự lai ghép- sự pha trộn của các obitan và sự liên kết của chúng về hình dạng và năng lượng. Vì vậy, khi trộn các obitan s và p, chúng ta nhận được kiểu lai hóa của sp, s- và 2 obitan p - sp 2, s- và 3 obitan p - sp 3. Có các kiểu lai khác, ví dụ, sp 3 d, sp 3 d 2 và phức tạp hơn.

Xác định kiểu lai hóa của phân tử có liên kết cộng hóa trị

Chỉ có thể xác định kiểu lai hoá đối với các phân tử có liên kết cộng hoá trị kiểu AB n, trong đó n lớn hơn hoặc bằng hai, A là nguyên tử trung tâm và B là phối tử. Chỉ các obitan hóa trị của nguyên tử trung tâm mới tham gia vào quá trình lai hóa.

Hãy xác định kiểu lai hóa bằng cách sử dụng phân tử BeH 2 làm ví dụ.

Ban đầu chúng tôi viết ra cấu hình điện tử nguyên tử trung tâm và phối tử, vẽ công thức đồ thị electron.

Nguyên tử berili (nguyên tử trung tâm) có các obitan 2p bị bỏ trống, do đó, để nhận một electron từ mỗi nguyên tử hydro (phối tử) để tạo thành phân tử BeH 2, nó cần chuyển sang trạng thái kích thích:

Sự hình thành phân tử BeH 2 xảy ra do sự xen phủ các obitan hóa trị của nguyên tử Be

* Màu đỏ biểu thị electron hiđro, màu đen biểu thị berili.

Kiểu lai hóa được xác định bằng cách xen phủ các obitan, do đó phân tử BeH2 ở dạng lai hóa sp.

Ngoài các phân tử có thành phần AB n, phương pháp liên kết hóa trị có thể xác định được kiểu lai hóa của các phân tử có nhiều liên kết. Hãy coi phân tử etylen C 2 H 4 làm ví dụ. Phân tử etilen có nhiều liên kết đôi, liên kết này được tạo thành bởi các liên kết và. Để xác định sự lai hóa, chúng ta viết ra các cấu hình điện tử và vẽ công thức đồ thị điện tử của các nguyên tử tạo nên phân tử:

6 C 2s 2 2s 2 2p 2

Nguyên tử cacbon có thêm một obitan p còn trống, do đó, để chấp nhận 4 nguyên tử hydro, nó cần chuyển sang trạng thái kích thích:

Cần có một obitan p để tạo thành -bond (được đánh dấu màu đỏ), vì -bond được hình thành bởi các obitan p "thuần chủng" (không lai tạp). Các obitan hóa trị còn lại chuyển sang trạng thái lai hóa. Như vậy etilen ở dạng lai hóa sp 2.

Xác định cấu trúc hình học của phân tử

Cấu trúc hình học của phân tử, cũng như các cation và anion của thành phần AB n có thể được thực hiện bằng phương pháp Gillespie. Phương pháp này dựa trên các cặp electron hóa trị. Cấu trúc hình học không chỉ bị ảnh hưởng bởi các electron tham gia vào việc hình thành liên kết hóa học, mà còn bởi các cặp electron không chia sẻ. Mỗi cặp electron đơn lẻ trong phương pháp Gillespie được ký hiệu là E, nguyên tử trung tâm là A và phối tử là B.

Nếu không có cặp electron không chia sẻ nào thì thành phần của các phân tử có thể là AB 2 (cấu trúc phân tử mạch thẳng), AB 3 (cấu trúc tam giác phẳng), AB4 (cấu trúc tứ diện), AB 5 (cấu trúc tam giác) và AB 6 (cấu tạo bát diện). Các dẫn xuất có thể nhận được từ các cấu trúc cơ bản nếu một cặp electron không chia sẻ xuất hiện thay vì một phối tử. Ví dụ: AB 3 E (cấu tạo hình chóp), AB 2 E 2 (cấu tạo dạng góc của phân tử).

Để xác định cấu trúc hình học (cấu trúc) của phân tử, cần phải xác định thành phần của hạt, trong đó số cặp electron riêng lẻ (NEP) được tính:

NEP = ( Tổng số electron hóa trị - số electron được sử dụng để tạo liên kết với các phối tử) / 2

Liên kết với H, Cl, Br, I, F lấy 1 electron từ A, liên kết với O lấy mỗi electron 2 electron và liên kết với N lấy 3 electron từ nguyên tử trung tâm.

Hãy xem xét ví dụ về phân tử BCl 3. Nguyên tử trung tâm là B.

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

NEP \ u003d (3-3) / 2 \ u003d 0, do đó không có cặp electron không chia sẻ và phân tử có cấu trúc AB 3 - một tam giác phẳng.

Cấu trúc hình học chi tiết của phân tử thành phần khác nhau trình bày trong bảng. một.

Bảng 1. Cấu trúc không gian của phân tử

Công thức phân tử	Kiểu lai	Loại phân tử	Hình học phân tử
			tuyến tính
			hình tam giác

			tứ diện
			kim tự tháp tam giác

			tam giác bipyramid
			dishenoid
			Hình chữ T
			tuyến tính

			kim tự tháp vuông

Ví dụ về giải quyết vấn đề

VÍ DỤ 1

Nhiệm vụ	Sử dụng phương pháp liên kết hóa trị, hãy xác định kiểu lai hóa của phân tử metan (CH 4) và cấu trúc hình học của nó theo phương pháp Gillespie
Giải pháp	6 C 2s 2 2s 2 2p 2

Thể loại

Lựa chọn của người biên tập