F;..

В целях упрощения рисунка гкбркдиые sp-электрои-ные облека атома бериллия изображены неполностью.

рис. 40. Благодаря вытянутой форме гибридных орбиталей достигается более полное перекрывание взаимодействующих электронных облаков, а значит, образуются более прочные химические связи. Энергия, выделяющаяся при образовании этих связей, больше, чем суммарные затраты энергии на возбуждение атома бериллия и гибридизацию его атомных орбиталей. Поэтому процесс образования молекулы BeF2 энергетически выгоден.

Рассмотренный случай гибридизации одной s- и одной р-орби-тали, приводящий к образованию двух sp-орбиталей, называется sp-т и б р и д и з а ц и е й. Как показывает рис. 39, sp-орбитали ориентированы в противоположных направлениях, что приводит к линейному строению молекулы. Действительно, молекула BeF2 линейна, а обе связи Be—F в этой молекуле во всех отношениях равноценны.

Возможны и другие случаи гибридизации атомных орбиталей, однако число образующихся гибридных орбиталей всегда равно общему числу исходных атомных орбиталей, участвующих в гибридизации. Так, при гибридизации одной s- и двух р-орбиталей (sp2-r ибридизация — читается «эс-пэ-два») образуются три равноценные 5р2-орбитали. В этом случае гибридные электронные облака располагаются в направлениях, лежащих в одной плоскости и ориентированных под углами 120° друг к другу (рис. 41). Очевидно, что этому типу гибридизации соответствует образование плоской треугольной молекулы.

Примером молекулы, в которой осуществляется 5р2-гибридиза-ция, может служить молекула фторида бора BF3. Здесь вместо исходных одной 5- и двух р-орбиталей возбужденного атома бора

2S t t

образуются три равноценные 5р2-орбитали. Поэтому молекула BF3 построена в форме правильного треугольника, в центре которого расположен атом бора, а в вершинах—атомы фтора. Все три связи В—F в молекуле BF3 равноценны.

Если в гибридизации участвуют одна 5- и три р-орбитали (sp3 - г и б р и д и з а ц и я), то в результате образуются четыре гибридные 5р3-орбитали, вытянутые в направлениях к вершинам тетраэдра, т. е. ориентированные под углами 109°28' друг к другу (рис. 42). Такая гибридизация осуществляется, например, в возбужденном атоме углерода при образовании молекулы метана

Is

f t f t

СН4. Поэтому молекула метана имеет форму тетраэдра, причем все четыре связи С—Н в этой молекуле равноценны.

Вернемся к рассмотрению структуры молекулы воды. При ее образовании происходит 5р3-гибридизация атомных орбиталей кислорода. Именно поэтому валентный угол НОН в молекуле НгО (104,5°) близок не к 90°, а к тетраэдрическому углу (109,5°). Небольшое отличие этого угла от 109,5° можно понять, если принять во внимание неравноценность состояния электронных облаков, окружающих атом кислорода в молекуле воды. В самом деле, в молекуле метана (1)

н

Н: С : Н Н: о: Н

Н

I П

все восемь электронов, занимающие в атоме углерода гибридные 5р3-орбитали, участвуют в образовании ковалентных связей С—Н. Это обусловливает симметричное распределение электронных облаков по отношению к ядру атома углерода. Между тем, в молекуле воды(II) только четыре из восьми электронов, занимающих гибридные 5р3-орбитали атома кислорода, образуют связи О—Н, а две электронные пары остаются неподеленными, т. е. принадлежат только атому кислорода. Это приводит к некоторой асимметрии в распределении электронных облаков, окружающих атом кислорода, и, как следствие, к отклонению угла между связями О—Н от 109,5°.

При образовании молекулы аммиака также происходит spS-гиб-

ридизация атомных орбиталей центрального атома (азота).

Именно поэтому валентный угол HNH (107,3°) близок к тетра-

эдрическому. Небольшое отличие этого угла от 109,5° объясняется,

как и в молекуле воды, асимметрией в распределении электронных

облаков вокруг ядра атома азота: из четырех электронных пар

три участвуют в образовании связей N — Н, а одна остается не-

поделенной. \

Как показывают рис. 39, 41 и 42, гибридные электронные облака смещены относительно ядра атома. Поэтому центр электрического заряда лелоделенной электронной пары, находящейся на гибридной орбитали, не совпадает с поло-.

женнем атомного ядра, т. е. с центром имеющегося в атоме положительного заряда. Такое смещение заряда неподеленной электронной пары приводит к появлению днпольного момента, вносящего существенный вклад в суммарный дипольный момент молекулы. Из этого следует, что полярность молекулы зависит не только от полярности отдельных связей и их взаимного расположения (см. § 40), ио и от наличия неподеленпых электронных пар на гибридных орбиталях и от пространственного расположения этих орбиталей.

У элементов третьего и последующих периодов в образовании гибридных электронных облаков могут участвовать и d-орбитали. Особенно важен случай 5р3с?2-гибридизации, когда в образовании гибридных орбиталей участвуют одна S-, три р- и две d-орбитали. В этом случае образуются шесть равноценных гибридных орбита-лей, вытянутых в направлениях к вершинам октаэдра. Ок