Kiểu Lai Hóa Các Obitan Của Nguyên Tử Cacbon. Hãy Nói Về Cách Xác ...

Lai hóa AO- đây là sự sắp xếp của các AO hóa trị về hình dạng và năng lượng trong quá trình hình thành một liên kết hóa học.

1. Chỉ những AO có năng lượng đủ gần nhau (ví dụ, obitan nguyên tử 2s và 2p) mới có thể tham gia lai hóa.

2. Các AO, obitan trống (tự do) có các electron chưa ghép đôi và các cặp electron chưa chia sẻ đều có thể tham gia lai hóa.

3. Kết quả của sự lai hoá, các obitan lai hoá mới xuất hiện, được định hướng trong không gian sao cho sau khi chúng xen phủ với obitan của các nguyên tử khác, các cặp electron càng xa nhau càng tốt. Trạng thái này của phân tử tương ứng với năng lượng tối thiểu do lực đẩy cực đại của các electron mang điện tương tự.

4. Kiểu lai hóa (số AO thực hiện lai hóa) được xác định bằng số nguyên tử "tấn công" một nguyên tử nhất định và số nguyên tử không chia sẻ cặp electron trong nguyên tử này.

Ví dụ. BF 3. Tại thời điểm hình thành liên kết, các AO của nguyên tử B được sắp xếp lại, chuyển sang trạng thái kích thích: В 1s 2 2s 2 2p 1 ® B * 1s 2 2s 1 2p 2.

Các AO lai hoá nằm lệch nhau một góc 120 o. Phân tử có hình dạng chính xác Tam giác(phẳng, hình tam giác):

3. sp 3 -hybridization. Kiểu lai hóa này đặc trưng cho các nguyên tử thuộc nhóm 4 ( ví dụ: carbon, silicon, germani) trong phân tử loại EH 4, cũng như đối với nguyên tử C trong phân tử kim cương, ankan, đối với nguyên tử N trong phân tử NH 3, NH 4 +, nguyên tử O trong phân tử H 2 O, v.v.

ví dụ 1 CH 4. Tại thời điểm hình thành liên kết, các AO của nguyên tử C được sắp xếp lại, chuyển sang trạng thái kích thích: C 1s 2 2s 2 2p 2 ® C * 1s 2 2s 1 2p 3.

Các AO lai hoá nằm lệch nhau một góc 109 khoảng 28 ”.

Ví dụ 2 NH 3 và NH 4 +.

Cấu tạo điện tử của nguyên tử N: 1s 2 2s 2 2p 3. 3 AO chứa các electron chưa chia đôi và 1 AO chứa một cặp electron không chia sẻ bị lai hóa. Do lực đẩy của cặp electron đơn độc khỏi các cặp electron của liên kết s nên góc liên kết trong phân tử amoniac là 107,3 ​​o (gần với hình tứ diện hơn và không có hướng).

Phân tử có dạng hình chóp tam giác:

Khái niệm lai hóa sp 3 có thể giải thích khả năng hình thành ion amoni và sự tương đương của các liên kết trong đó.

Ví dụ 3 H 2 O.

Cấu trúc điện tử của nguyên tử О 1s 2 2s 2 2p 4. 2 AO chứa các cặp electron chưa phân chia và 2 AO chứa các cặp electron không chia sẻ trải qua quá trình lai hóa. Góc liên kết trong phân tử nước là 104,5 ° (cũng gần tứ diện hơn là thẳng).

Phân tử có dạng góc:

Khái niệm lai hóa sp 3 có thể giải thích khả năng hình thành ion oxonium (hydroxonium) và sự hình thành 4-x của mỗi phân tử liên kết hydro trong cấu trúc của nước đá.

4. lai hóa sp 3 d.Kiểu lai hóa này đặc trưng cho nguyên tử của các nguyên tố thuộc nhóm 5 (bắt đầu bằng P) trong phân tử thuộc kiểu EX 5.

Ví dụ. PCl 5. Cấu trúc điện tử của nguyên tử P ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích: Р 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 ® P * 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 3d 1. Hình dạng phân tử - hexahedron (chính xác hơn là - bipyramid trigonal):

5. lai hóa sp 3 d 2.Kiểu lai hóa này đặc trưng cho nguyên tử của các nguyên tố thuộc nhóm 6 (bắt đầu bằng S) trong phân tử thuộc loại EX 6.

Ví dụ. SF6. Cấu trúc điện tử của nguyên tử S ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích: S 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 ® P * 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 3d 2.

Hình dạng phân tử - bát diện :

6. lai hóa sp 3 d 3.Kiểu lai hóa này đặc trưng cho các nguyên tử của nguyên tố nhóm 7 (bắt đầu bằng Cl) trong phân tử thuộc loại EX 7.

Ví dụ. IF7. Cấu trúc điện tử của nguyên tử F ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích: I 5s 2 3p 5 ® I * 5s 1 3p 3 3d 3. Hình dạng phân tử - decahedron (chính xác hơn là - kim tự tháp ngũ giác):

7. lai hóa sp 3 d 4.Kiểu lai hóa này đặc trưng cho các nguyên tử của nguyên tố nhóm 8 (trừ He và Ne) trong phân tử thuộc loại EX 8.

Ví dụ. XeF 8. Cấu trúc điện tử của nguyên tử Xe ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích: Xe 5s 2 3p 6 ® Xe * 5s 1 3p 3 3d 4.

Hình dạng phân tử - khối mười hai mặt:

Có thể có các kiểu lai hóa AO khác.

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 chất đơn giảnđược hình 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 Nhiều 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 quỹ đạo 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. Do sự xuất hiện của nó, hạt nhỏ nhấtđơn 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 cái khác tính năng quan trọng của loại liên kết hóa học - bão hòa do một số đám mây hóa trị ngoài 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 do sự xen phủ bên và đám mây electron, tương ứng, có mật độ cao nhất ngoài trục nối lõi.

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 hóa được Pauling đưa ra để giải thích một trong những đặc điểm của liên kết cộng hóa 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 là giống hệt nhau về không gian và hiệu suất 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, metan CH 4, cả 4 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 một quỹ đạo là xác suất xác định để tìm thấy một điện tử tại một điểm cụ thể trong nguyên tử, một quỹ đạo lai là một sự chồng chất chức năng sóng, xảy ra do quá trình 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 là năng lượng tương đương và có hình dạng giống nhauở dạng tập tám, có tính bất đối xứng mạnh đối với hạt nhân. Năng lượng tiêu tốn ít hơn cho quá trình lai hóa 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 của 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 mang tính minh họa, đồng thời giải thích thành công một số đặc điểm của hợp chất cộng hóa trị, chẳng hạn như độ lớn của góc liên kết hoặc sự liên kết độ dài của liên kết hóa học. Tuy nhiên, mặt định lượng của mô hình không thể được coi là thỏa đáng, vì nó không cho phép nhiều dự đoán quan trọng liên quan đến 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, trong việc làm ý tưởng đương đại về cấu trúc của vật chất, mô hình lai hóa các obitan nguyên tử đóng một vai trò quan trọng. 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 là một giai đoạn quan trọng trong quá trình phát triển hóa lý thuyết, và trong việc mô tả một số khía cạnh của cấu trúc điện tử của phân tử, nó khá áp dụng vào thời điểm hiện tại.

Khái niệm về phép lai

Khái niệm về sự lai hoá các obitan nguyên tử hoá trịđược đề xuất bởi nhà hóa học người Mỹ Linus Pauling để trả lời câu hỏi tại sao, nếu nguyên tử trung tâm có các obitan hóa trị (s, p, d) khác nhau, các liên kết do nó hình thành trong các phân tử đa nguyên tử với cùng các phối tử lại tương đương nhau về năng lượng và đặc điểm không gian của chúng. .

Ý tưởng về phép lai là trung tâm của phương pháp liên kết hóa trị. bản thân sự lai tạo không có thật quá trình vật lý, nhưng chỉ là một mô hình thuận tiện để giải thích cấu trúc điện tửđặc biệt là các phân tử, sự thay đổi giả thuyết của các obitan nguyên tử trong quá trình hình thành liên kết cộng hóa trị, đặc biệt là sự liên kết của độ dài liên kết hóa học và góc liên kết trong phân tử.

Khái niệm lai hóa đã được áp dụng thành công để mô tả định tính các phân tử đơn giản, nhưng sau đó đã được mở rộng sang các phân tử phức tạp hơn. Không giống như lý thuyết về obitan phân tử, nó không mang tính định lượng nghiêm ngặt, ví dụ, nó không thể dự đoán phổ quang điện tử của ngay cả những phân tử đơn giản như nước. Nó hiện được sử dụng chủ yếu cho các mục đích phương pháp luận và trong hóa học hữu cơ tổng hợp.

Nguyên lý này được phản ánh trong lý thuyết Gillespie-Nyholm về lực đẩy của các cặp electron. Đầu tiên và hầu hết quy tắc quan trọngđược xây dựng như sau:

"Các cặp điện tử có sự sắp xếp như vậy trên lớp vỏ hóa trị của nguyên tử, trong đó chúng càng xa nhau càng tốt, tức là, các cặp điện tử cư xử như thể chúng đẩy nhau."

Quy tắc thứ hai là "tất cả các cặp electron có trong hóa trị vỏ điện tử, được coi là nằm cách hạt nhân cùng khoảng cách ".

Các kiểu lai

lai hóa sp

Xảy ra khi trộn một obitan s và một obitan p. Hai obitan nguyên tử sp tương đương được hình thành, nằm tuyến tính với nhau một góc 180 độ và hướng về phía các mặt khác nhau từ hạt nhân của nguyên tử cacbon. Hai obitan p không lai hoá còn lại là nguyên tố của nhau mặt phẳng vuông góc và tham gia vào việc hình thành liên kết π, hoặc tham gia vào các cặp electron đơn lẻ.

lai hóa sp 2

Xảy ra khi trộn một obitan s và hai obitan p. Ba obitan lai hóa được tạo thành với các trục nằm trong cùng một mặt phẳng và hướng với các đỉnh của tam giác một góc 120 độ. Obitan nguyên tử p không lai hóa vuông góc với mặt phẳng và theo quy luật, nó tham gia vào sự hình thành liên kết π

lai hóa sp 3

Xảy ra khi trộn một obitan s và ba obitan p, tạo thành bốn obitan lai hóa sp3 có hình dạng và năng lượng bằng nhau. Chúng có thể hình thành bốn liên kết σ với các nguyên tử khác hoặc chứa đầy các cặp electron đơn lẻ.

Các trục của obitan lai hóa sp3 hướng đến các đỉnh của một tứ diện đều. Góc tứ diện giữa chúng là 109 ° 28 ", tương ứng với năng lượng đẩy electron thấp nhất. Các obitan sp3 cũng có thể tạo bốn liên kết σ với các nguyên tử khác hoặc chứa đầy các cặp electron không chia sẻ.

Lai hóa và hình học phân tử

Những ý tưởng về sự lai hoá các obitan nguyên tử làm cơ sở cho thuyết Gillespie-Nyholm về lực đẩy của các cặp electron. Mỗi kiểu lai hóa tương ứng với một định hướng không gian xác định nghiêm ngặt của các obitan lai hóa của nguyên tử trung tâm, điều này cho phép nó được sử dụng làm cơ sở của các khái niệm lập thể trên thế giới. hóa học hữu cơ.

Bảng cho thấy các ví dụ về sự tương ứng giữa các kiểu lai hoá phổ biến nhất và cấu trúc hình học của phân tử, giả sử rằng tất cả các obitan lai hoá đều tham gia hình thành liên kết hoá học (không có cặp electron nào không chia sẻ).

Kiểu lai	Con số quỹ đạo lai	Hình học	Cấu trúc	Các ví dụ
sp	2	Tuyến tính	BeF 2, CO 2, NO 2 +
sp 2	3	hình tam giác		BF 3, NO 3 -, CO 3 2-
sp 3	4	tứ diện		CH 4, ClO 4 -, SO 4 2-, NH 4 +
dsp2	4	hình vuông phẳng		Ni (CO) 4, XeF 4
sp 3 ngày	5	Hình lục diện		PCl 5, AsF 5
sp 3 ngày 2	6	Bát diện		SF 6, Fe (CN) 6 3-, CoF 6 3-

Liên kết

Văn chương

• Pauling L. Bản chất của liên kết hóa học / Per. từ tiếng Anh. M. E. Dyatkina. Ed. hồ sơ Ya. K. Syrkina. - M.; L: Goshimizdat, 1947. - 440 tr.
• Pauling L. hóa học nói chung. Mỗi. từ tiếng Anh. - M .: Mir, 1974. - 846 tr.
• Minkin V. I., Simkin B. Ya., Minyaev R. M. Lý thuyết về cấu trúc của phân tử. - Rostov-on-Don: Phoenix, 1997. - S. 397-406. - ISBN 5-222-00106-7
• Gillespie R. Hình học của phân tử / Per. từ tiếng Anh. E. Z. Zasorina và V. S. Mastryukov, biên tập. Yu. A. Pentina. - M .: Mir, 1975. - 278 tr.

Xem thêm

Ghi chú

Quỹ Wikimedia. Năm 2010.

Bài toán 261.Những kiểu lai hóa AO cacbon nào tương ứng với sự hình thành phân tử CH 4, C 2 H 6, C 2 H 4, C 2 H 2? Quyết định:a) Trong phân tử CH 4 và C 2 H 6 Lớp electron hóa trị của nguyên tử cacbon chứa 4 cặp electron:

Do đó, các đám mây electron của nguyên tử cacbon trong các phân tử CH 4, C 2 H 6 sẽ bị tách ra khỏi nhau một cách tối đa trong quá trình lai hóa sp3, khi trục của chúng hướng về các đỉnh của tứ diện. Trong trường hợp này, trong phân tử CH 4, tất cả các đỉnh của tứ diện sẽ bị chiếm bởi nguyên tử hydro, do đó phân tử CH4 có cấu hình tứ diện với một nguyên tử cacbon ở tâm của tứ diện. Trong phân tử C 2 H 6, nguyên tử hydro chiếm ba đỉnh của tứ diện và đám mây electron chung của một nguyên tử cacbon khác hướng đến đỉnh thứ tư, tức là hai nguyên tử cacbon liên kết với nhau. Điều này có thể được biểu diễn bằng sơ đồ:

b) Trong phân tử C 2 H 4, lớp electron hóa trị của nguyên tử cacbon, như trong phân tử CH 4, C 2 H 6. chứa bốn cặp electron:

Trong quá trình hình thành C 2 H 4, ba liên kết cộng hóa trị được hình thành theo cơ chế thông thường, tức là là - liên kết, và một - - liên kết. Khi phân tử C 2 H 4 được hình thành, mỗi nguyên tử cacbon với hai nguyên tử hydro - liên kết và với nhau hai liên kết, một - và một - liên kết. Các đám mây lai tương ứng loại này các phép lai hóa nằm trong nguyên tử cacbon để tương tác giữa các electron là nhỏ nhất, tức là càng xa nhau càng tốt. Sự sắp xếp này của các nguyên tử cacbon (hai liên kết đôi giữa các nguyên tử cacbon) là điển hình cho sự lai hóa sp 2 của các AO cacbon. Trong quá trình lai hóa sp 2, các đám mây electron trong nguyên tử cacbon được định hướng theo các hướng nằm trong cùng một mặt phẳng và tạo với nhau các góc 120 0, tức là hướng tới đỉnh tam giác vuông. Trong phân tử etilen, ba obitan lai hóa sp 2 của mỗi nguyên tử cacbon tham gia hình thành liên kết, hai obitan lai hóa giữa hai nguyên tử hiđro và một liên kết với nguyên tử cacbon thứ hai và liên kết được hình thành do các đám mây electron p của mỗi nguyên tử cacbon. . Công thức cấu tạo phân tử C 2 H 4 sẽ giống như sau:

c) Trong phân tử C 2 H 2, lớp electron hóa trị của nguyên tử cacbon chứa 4 cặp electron:

Công thức cấu tạo C 2 N 2 có dạng:

Mỗi nguyên tử cacbon có một cặp electron với nguyên tử hydro và ba cặp electron với nguyên tử cacbon khác. Do đó, trong phân tử axetilen, các nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng liên kết một và hai liên kết. Mỗi nguyên tử cacbon được liên kết với hydro. Hai AO lai hóa sp tham gia vào việc hình thành các-liên kết, chúng nằm tương đối với nhau để tương tác giữa chúng là nhỏ nhất, tức là càng xa nhau càng tốt. Do đó, trong quá trình lai hóa sp, các đám mây electron giữa các nguyên tử cacbon được định hướng theo các hướng ngược nhau so với nhau, tức là góc giữa Liên kết C-C là 180 0. Do đó, phân tử C 2 H 2 có cấu trúc mạch thẳng:

Bài toán 262. Cho biết kiểu lai hóa AO của silic trong phân tử SiH 4 và SiF 4. Các phân tử này có phân cực không? Quyết định: Trong phân tử SiH 4 và SiF 4, lớp electron hóa trị chứa 4 cặp electron:

Do đó, trong cả hai trường hợp, các đám mây electron của nguyên tử silic sẽ bị tách ra khỏi nhau một cách tối đa trong quá trình lai hóa sp 3, khi trục của chúng hướng về các đỉnh của tứ diện. Hơn nữa, trong phân tử SiH 4, tất cả các đỉnh của tứ diện đều do nguyên tử hydro chiếm giữ và trong phân tử SiF 4 là nguyên tử flo, do đó các phân tử này có cấu hình tứ diện với nguyên tử silic ở tâm của tứ diện:

Trong các phân tử SiH 4 và SiF 4 tứ diện, mômen lưỡng cực của liên kết Si-H và Si-F bù trừ lẫn nhau, do đó tổng mômen lưỡng cực của cả hai phân tử sẽ bằng không. Các phân tử này không phân cực, mặc dù có sự phân cực của liên kết Si-H và Si-F.

Bài toán 263. Trong phân tử SO 2 và SO 3, nguyên tử lưu huỳnh ở trạng thái lai hóa sp 2. Các phân tử này có phân cực không? Cấu trúc không gian của chúng là gì? Quyết định:Trong quá trình lai hóa sp 2, các đám mây lai hóa nằm trong nguyên tử lưu huỳnh theo các hướng nằm trong cùng một mặt phẳng và tạo với nhau các góc 120 0, tức là hướng về các đỉnh của một tam giác đều.

a) Trong phân tử SO 2, hai AO lai hóa sp 2 tạo liên kết với hai nguyên tử oxi, obitan lai hóa sp 2 thứ ba sẽ do một cặp electron tự do chiếm giữ. Cặp electron này sẽ dịch chuyển mặt phẳng electron và phân tử SO 2 sẽ có dạng một tam giác không đều, tức là góc OSO sẽ không bằng 120 0. Do đó, phân tử SO 2 sẽ có dạng góc với sự lai hóa sp 2 của các obitan nguyên tử, cấu trúc:

Trong phân tử SO 2, sự bù trừ lẫn nhau của mômen lưỡng cực của các liên kết S-O không xảy ra; mômen lưỡng cực của một phân tử như vậy sẽ có giá trị Hơn không, I E. phân tử có cực.

b) Trong phân tử SO3 ở góc, cả ba AO lai hóa sp2 đều tạo liên kết với ba nguyên tử oxi. Phân tử SO 3 sẽ có dạng tam giác phẳng với sự lai hóa sp 2 của nguyên tử lưu huỳnh:

Trong phân tử SO 3 hình tam giác, mômen lưỡng cực của liên kết S-O bù trừ lẫn nhau, do đó tổng mômen lưỡng cực sẽ bằng không, phân tử có cực.

Nhiệm vụ 264. Khi SiF4 tương tác với HF, một axit mạnh H 2 SiF 6 được tạo thành, axit này phân ly thành các ion H + và SiF 6 2-. Phản ứng giữa CF 4 và HF có thể tiến hành theo cách tương tự không? Cho biết kiểu lai hóa AO của silic trong ion SiF 6 2-. Quyết định: a) Khi bị kích thích, nguyên tử silic chuyển từ trạng thái 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 sang trạng thái 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 4 3d 0, và cấu tạo điện tử của các obitan hóa trị tương ứng với sơ đồ :

Bốn electron chưa ghép đôi của một nguyên tử silicon bị kích thích có thể tham gia vào bốn liên kết cộng hóa trị theo cơ chế thông thường với các nguyên tử flo (1s 2 2s 2 2p 5) có một electron chưa ghép đôi mỗi nguyên tử tạo thành phân tử SiF 4.

Khi SiF 4 tương tác với HF, axit H 2 SiF 6 được tạo thành. Điều này có thể xảy ra vì phân tử SiF 4 có các obitan 3d tự do, trong khi ion F có (1s 2 2s 2 2p 6) các cặp electron tự do. Truyền thông được thực hiện theo cơ chế cho-nhận do một cặp electron của mỗi ion trong số hai ion F - (HF ↔ H + + F -) và obitan 3d tự do của phân tử SiF 4. Trong trường hợp này, ion SiF 6 2- được tạo thành, ion H + tạo thành phân tử axit H 2 SiF 6.

b) Cacbon (1s 2 2s 2 2p 2) có thể hình thành, giống như silic, một hợp chất CF 4, trong khi các khả năng hóa trị của nguyên tử cacbon sẽ cạn kiệt (không có electron chưa ghép đôi, các cặp electron tự do và obitan hóa trị tự do ở mức hóa trị). Sơ đồ cấu tạo các obitan hóa trị của nguyên tử cacbon bị kích thích có dạng:

Khi CF 4 được hình thành, tất cả các obitan hóa trị của cacbon đều bị chiếm dụng, do đó không thể hình thành ion.

Trong phân tử SiF 4, lớp electron hóa trị của nguyên tử silic chứa 4 cặp electron:

Điều tương tự cũng được quan sát thấy đối với phân tử CF 4. do đó, trong cả hai trường hợp, các đám mây electron của nguyên tử silic và cacbon sẽ bị loại bỏ tối đa khỏi nhau trong quá trình lai hóa sp3. Khi trục của chúng hướng đến các đỉnh của tứ diện:

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 nào chưa chia sẻ thì thành phần của các phân tử có thể là AB 2 ( cấu trúc tuyến tính phân tử), AB 3 (cấu trúc tam giác phẳng), AB4 (cấu trúc tứ diện), AB 5 (cấu trúc tam giác) và AB 6 (cấu trúc 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 các phân tử của các chế phẩm khác nhau được trình bày trong Bảng. một.

Bảng 1. Cấu trúc không gian 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

Bài tập	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
Quyết định	6 C 2s 2 2s 2 2p 2