קביעת סוג ההכלאה של אטומים של חומרים אנאורגניים. דוגמה להגדרת סוג חיבור

בתהליך קביעת הצורה הגיאומטרית של חלקיק כימי, חשוב לקחת בחשבון שזוגות אלקטרוני ערכיות של האטום הראשי, כולל כאלה שאינם יוצרים קשר כימי, נמצאים על מרחק ארוךאחד מהשני בחלל.

תכונות של המונח

כאשר בוחנים את הנושא של קשרים כימיים קוולנטיים, נעשה שימוש לעתים קרובות במושג הכלאה של אורביטלים אטומיים. מונח זה קשור ליישור של צורה ואנרגיה. הכלאה של אורביטלים אטומיים קשורה לתהליך סידור כימי קוונטי מחדש. לאורביטלים מבנה שונה בהשוואה לאטומים המקוריים. המהות של הכלאה היא שהאלקטרון שנמצא ליד הגרעין של אטום קשור לא נקבע על ידי מסלול אטומי מסוים, אלא על ידי שילובם עם מספר קוונטי עיקרי שווה. בעיקר התהליך הזהנוגע לאורביטלים אטומיים גבוהים יותר, קרובים באנרגיה, שיש להם אלקטרונים.

פרטי התהליך

סוגי ההכלאה של אטומים במולקולות תלויים בכיוון האורביטלים החדשים. בהתבסס על סוג ההכלאה, ניתן לקבוע את הגיאומטריה של יון או מולקולה ולהציע תכונות כימיות ספציפיות.

סוגי הכלאה

סוג זה של הכלאה, כגון sp, הוא מבנה ליניארי, הזווית בין הקשרים היא 180 מעלות. דוגמה למולקולה עם סוג זה של הכלאה היא BeCl 2.

הסוג הבא של הכלאה הוא sp 2. המולקולות מאופיינות בצורת משולש, הזווית בין הקשרים היא 120 מעלות. דוגמה טיפוסית לסוג זה של הכלאה היא BCl 3.

סוג ההכלאה sp 3 מניח מבנה טטרהדרלי של המולקולה; דוגמה טיפוסית לחומר עם אפשרות הכלאה זו היא מולקולת המתאן CH 4 . זווית הקשר במקרה זה היא 109 מעלות 28 דקות.

לא רק אלקטרונים מזווגים, אלא גם זוגות לא משותפים של אלקטרונים מעורבים ישירות בהכלאה.

הכלאה במולקולת מים

לדוגמה, במולקולת מים קיימים שני קשרים קוולנטיים קוטביים בין אטום החמצן לאטומי המימן. בנוסף, לאטום החמצן עצמו יש שני זוגות של אלקטרונים חיצוניים, שאינם משתתפים ביצירת קשר כימי. 4 זוגות האלקטרונים הללו תופסים מקום מסוים סביב אטום החמצן. מכיוון שלכולם יש אותו מטען, הם דוחים זה את זה בחלל, וענני האלקטרונים ממוקמים במרחק משמעותי זה מזה. סוג ההכלאה של אטומים בחומר זה כרוך בשינוי בצורת האורביטלים האטומיים, הם נמתחים ומיושרים לקודקודי הטטרהדרון. כתוצאה מכך, מולקולת המים מקבלת צורה זוויתית; זווית הקשר בין קשרי חמצן-מימן היא 104.5 o.

כדי לחזות את סוג ההכלאה, אפשר להשתמש במנגנון התורם-המקבל של יצירת קשר כימי. כתוצאה מכך, האורביטלים החופשיים של יסוד בעל אלקטרושליליות נמוכה יותר חופפים, וכן האורביטלים של יסוד בעל שליליות חשמלית גבוהה יותר, המכיל זוג אלקטרונים. בתהליך ההרכבה של התצורה האלקטרונית של אטום, מצב החמצון שלהם נלקח בחשבון.

כללים לזיהוי סוג ההכלאה

על מנת לקבוע את סוג הכלאה של פחמן, אתה יכול להשתמש בכללים מסוימים:

• האטום המרכזי מזוהה, מספר קשרי σ מחושב;
• לקבוע את מצב החמצון של אטומים בחלקיק;
• רישום התצורה האלקטרונית של האטום הראשי במצב החמצון הנדרש;
• ערכו תרשים של התפלגות אלקטרונים ערכיים באורביטלים, זיווג אלקטרונים;
• מזוהים אורביטלים המעורבים ישירות ביצירת קשרים, נמצאים אלקטרונים לא מזווגים (אם מספר אורביטלי הערכיות אינו מספיק להכלאה, נעשה שימוש באורביטלים של רמת האנרגיה הבאה).

הגיאומטריה של המולקולה נקבעת לפי סוג ההכלאה. הוא אינו מושפע מנוכחותם של קשרי פי. במקרה של קשר נוסף, ייתכן שינוי בזווית הקשר, הסיבה היא דחייה הדדית של האלקטרונים היוצרים קשר מרובה. לפיכך, במולקולת תחמוצת החנקן (4), במהלך הכלאה sp 2, זווית הקשר עולה מ-120 מעלות ל-134 מעלות.

הכלאה במולקולת אמוניה

זוג אלקטרונים לא משותף משפיע על מומנט הדיפול שנוצר של המולקולה כולה. לאמוניה יש מבנה טטרהדרלי יחד עם זוג אלקטרונים לא משותף. היוניות של קשרי חנקן-מימן וחנקן-פלואור היא 15 ו-19 אחוזים, האורכים נקבעים ל-101 ו-137 pm, בהתאמה. לפיכך, למולקולת החנקן הפלואוריד צריכה להיות מומנט דיפול גדול יותר, אך תוצאות הניסוי מצביעות על ההפך.

הכלאה בתרכובות אורגניות

כל סוג של פחמימנים מאופיין בסוג הכלאה משלו. לפיכך, במהלך היווצרות מולקולות מקבוצת האלקנים (פחמימנים רוויים), כל ארבעת האלקטרונים של אטום הפחמן יוצרים אורביטלים היברידיים. כאשר הם חופפים, נוצרים 4 עננים היברידיים, המיושרים לקודקודי הטטרהדרון. לאחר מכן, הקודקודים שלהם חופפים ל-s-orbitals שאינם היברידיים של מימן, ויוצרים קשר פשוט. פחמימנים רוויים מאופיינים בהכלאה sp 3.

באלקנים בלתי רוויים (הנציג האופייני שלהם הוא אתילן), רק שלושה אורביטלים של אלקטרונים לוקחים חלק בהכלאה - s ו-2 p; שלושה אורביטלים היברידיים יוצרים צורת משולש במרחב. אורביטלי ה-p שאינם היברידיים חופפים, ויוצרים קשר מרובה במולקולה. מחלקה זו של פחמימנים אורגניים מאופיינת במצב היברידי sp 2 של אטום הפחמן.

אלקינים נבדלים מהמחלקה הקודמת של פחמימנים בכך שרק שני סוגים של אורביטלים מעורבים בתהליך ההכלאה: s ו-p. שני האלקטרונים הלא-היברידיים הנותרים על כל אטום פחמן חופפים לשני כיוונים, ויוצרים שני קשרים מרובים. מחלקה זו של פחמימנים מאופיינת במצב sp-hybrid של אטום הפחמן.

סיכום

על ידי קביעת סוג ההכלאה במולקולה, ניתן להסביר את המבנה של חומרים אנאורגניים ואורגניים שונים ולחזות אפשריים תכונות כימיותחומר ספציפי.

הוראות

שקול את המולקולה של הפחמימן הרווי הפשוט ביותר, מתאן. זה נראה כך: CH4. המודל המרחבי של המולקולה הוא טטרהדרון. אטום הפחמן יוצר קשרים עם ארבעה אטומי מימן שאורכם ואנרגיה זהים לחלוטין. בהם, לפי הדוגמה שלעיל, משתתפים 3 – P אלקטרונים ו-1 S – אלקטרונים, שהאורביטל שלהם התחיל להתאים בדיוק לאורביטלים של שלושת האלקטרונים האחרים כתוצאה ממה שקרה. סוג זה של הכלאה נקרא הכלאה sp^3. זה טבוע בכל האולטימטיביות.

אבל הנציג הפשוט ביותר של תרכובות בלתי רוויות הוא אתילן. הנוסחה שלו היא כדלקמן: C2H4. איזה סוג הכלאה טבוע בפחמן במולקולה של חומר זה? כתוצאה מכך נוצרים שלושה אורביטלים בצורה של "דמות שמיניות" אסימטריות השוכנות באותו מישור בזווית של 120^0 זה לזה. הם נוצרו על ידי 1 - S ו-2 - P אלקטרונים. ה-P השלישי האחרון - האלקטרון לא שינה את המסלול שלו, כלומר, הוא נשאר בצורה של "שמונה" רגיל. סוג זה של הכלאה נקרא הכלאה sp^2.

איך נוצרים קשרים במולקולה? שני אורביטלים הכלאיים של כל אטום נכנסו למגע עם שני אטומי מימן. המסלול ההכלאה השלישי יצר קשר עם אותו מסלול של אחר. והאורביטלים הנותרים של P? הם "משכו" זה לזה משני צידי המישור של המולקולה. נוצר קשר בין אטומי הפחמן. אטומים בעלי קשר "כפול" מאופיינים ב-sp^2.

מה קורה במולקולת אצטילן או? הנוסחה שלו היא כדלקמן: C2H2. בכל אטום פחמן, רק שני אלקטרונים עוברים הכלאה: 1 -S ו- 1 -P. השניים הנותרים שומרים על אורביטלים בצורה של "שמיניות רגילות", חופפים" במישור המולקולה ומשני צידיה. לכן סוג זה של הכלאה נקרא sp - הכלאה. הוא טבוע באטומים בעלי קשר משולש.

את כל מילים, הקיים בשפה מסוימת, ניתן לחלק למספר קבוצות. זה חשוב בקביעת משמעות ופונקציות דקדוקיות כאחד מילים. מייחס את זה למשהו מסוים סוּג, אתה יכול לשנות אותו בהתאם לכללים, גם אם מעולם לא ראית אותו לפני כן. סוגי אלמנטים מיליםהלקסיקולוגיה עוסקת בהרכב השפה.

אתה תצטרך

• - טקסט;
• - מילון.

הוראות

בחר את המילה שאת סוגה אתה רוצה לקבוע. השתייכותו לחלק דיבור כזה או אחר עדיין לא משחקת תפקיד, וכך גם צורתו ותפקודו במשפט. זה יכול להיות כל מילה. אם זה לא מצוין במשימה, רשום את הראשון שנתקלת בו. קבע אם הוא נותן שם לאובייקט, איכות, פעולה או לא. בשביל הפרמטר הזה הכל מיליםמחולקים לנומינים, פרונומינליים, מספריים, עזר וביניים. לראשון סוּגכוללים שמות עצם, שמות תואר, פעלים ו. הם שמות של חפצים, תכונות ופעולות. הסוג השני של מילים בעלות פונקציית שם הוא פרונומינלי. היכולת לתת שם נעדרת בסוגי ביניים ושירותים. אלו הן קבוצות קטנות יחסית של מילים, אבל הן נמצאות בכל אחד.

קבע אם המילה הנתונה מסוגלת לבטא את המושג. פונקציה זו זמינה עבור מיליםיחידות אריות מהסוג הנקוב, כי הן היוצרות את הסדרה המושגית של כל שפה. עם זאת, כל מספר שייך גם הוא לקטגוריית המושגים, ובהתאם, נושא גם את הפונקציה הזו. גם למילים פונקציונליות יש את זה, אבל לכינויים ולקריות ביניים אין.

שקול איך המילה הייתה נראית לו הייתה במשפט. זה יכול להיות? זו יכולה להיות כל מילה משמעותית. אבל גם למספר וגם למספר יש את האפשרות הזו. אבל הרשמיים מיליםממלאים תפקיד עזר; הם לא יכולים להיות הנושא ולא החברים המשניים של המשפט, בדיוק כמו קריאות ביניים.

מטעמי נוחות, ניתן ליצור טבלה של ארבע עמודות ושש שורות. בשורה העליונה, סמן את העמודות המתאימות "סוגי מילים", "מתן שמות", "מושג" ו"יכול להיות חלק ממשפט". בעמודה השמאלית הראשונה רשמו את שמות סוגי המילים, יש חמישה כאלה. קבע אילו פונקציות יש למילה נתונה ואילו אין לה. שים פלוסים ובעמודות המתאימות. אם כל שלוש העמודות מכילות פלוסים, אז זה סוג משמעותי. הפלוסים המהווים יופיעו בעמודה הראשונה והשלישית, בשנייה ובשלישית. שֵׁרוּת מיליםיכול להביע רק מושג, כלומר, יש להם פלוס אחד בעמודה השנייה. מול קריאות הביניים בשלושת הטורים יהיו מינוסים.

סרטון על הנושא

הכלאה הוא תהליך השגת הכלאים - צמחים או בעלי חיים הנובעים מהצלבה של זנים וגזעים שונים. המילה היברידי (hibrida) עם שפה לטיניתמתורגם כ"תערובת".

הכלאה: טבעית ומלאכותית

תהליך ההכלאה מבוסס על שילוב חומר גנטי מתאי שונים מפרטים שונים בתא אחד. יש הבחנה בין תוך-ספציפי לרחוק, שבו מתרחש חיבור של גנומים שונים. בטבע, הכלאה טבעית התרחשה וממשיכה להתרחש ללא התערבות אנושית. על ידי חצייה בתוך מין השתנו הצמחים והשתפרו והופיעו זנים וגזעים חדשים של בעלי חיים. מנקודת המבט מתרחשת הכלאה של DNA, חומצות גרעין, שינויים ברמה האטומית והתוך-אטומית.

בכימיה אקדמית, הכלאה מתייחסת לאינטראקציה הספציפית של אורביטלים אטומיים במולקולות של חומר. אבל זה לא אמיתי תהליך פיזי, אלא רק מודל היפותטי, מושג.

כלאיים בייצור יבול

בשנת 1694, המדען הגרמני ר' קמרריוס הציע לייצר באופן מלאכותי. ובשנת 1717, ט.פיירצ'יילד האנגלי חצה לראשונה סוגים שונים של ציפורנים. כיום, הכלאה תוך-ספציפית של צמחים מתבצעת על מנת לקבל זנים בעלי תשואה גבוהה או מותאמים, למשל, זנים עמידים לכפור. הכלאה של צורות וזנים היא אחת השיטות לגידול צמחים. בדרך זו נוצרו מספר עצום של זנים מודרניים של גידולים חקלאיים.

במהלך הכלאה מרוחקת, כאשר מצליבים נציגים סוגים שוניםומשולבים גנומים שונים, ההיברידיות המתקבלות ברוב המקרים אינן מייצרות צאצאים או מייצרות הצלבות באיכות נמוכה. לכן אין טעם להשאיר את זרעי המלפפונים היברידיים הבשלים בגינה, ולקנות כל פעם את הזרעים שלהם בחנות מתמחה.

גידול בבעלי חיים

בעולם מתרחשת גם הכלאה טבעית, תוך ספציפית ומרוחקת. פרדות היו ידועות לאדם אלפיים שנה לפני תקופתנו. ובימינו משתמשים בפרד והני ביתכחיית עבודה זולה יחסית. נכון, הכלאה כזו היא בין-ספציפית, כך שהכלאיים זכרים נולדים בהכרח סטריליים. נקבות לעיתים רחוקות מאוד יכולות להביא לעולם צאצאים.

פרד הוא הכלאה של סוסה וחמור. ההכלאה המתקבלת על ידי חציית סוס וחמור נקראת הני. פרדות גדלים במיוחד. הם גבוהים וחזקים יותר מהני.

אבל חציית כלב בית עם זאב הייתה פעילות נפוצה מאוד בקרב ציידים. לאחר מכן, הצאצאים שהתקבלו היו נתונים לבחירה נוספת, וכתוצאה מכך נוצרו גזעים חדשים של כלבים. כיום, בחירת בעלי חיים היא מרכיב חשוב בהצלחת תעשיית בעלי החיים. הכלאה מתבצעת בכוונה, תוך התמקדות בפרמטרים שצוינו.

הכלאה של מסלול אטומי הוא תהליך המאפשר לנו להבין כיצד אטומים משנים את האורביטלים שלהם בעת יצירת תרכובות. אז מהי הכלאה, ואילו סוגים שלה קיימים?

מאפיינים כלליים של הכלאה של אורביטלים אטומיים

הכלאה של אורביטל אטומי הוא תהליך שבו אורביטלים שונים של אטום מרכזי מעורבבים, וכתוצאה מכך נוצרים אורביטלים בעלי מאפיינים זהים.

הכלאה מתרחשת במהלך היווצרות של קשר קוולנטי.

למסלול ההיברידי יש את הסיכויים של סימן אינסוף או דמות הפוכה א-סימטרית של שמונה, המורחבת הרחק מגרעין האטום. צורה זו גורמת לחפיפה חזקה יותר של אורביטלים היברידיים עם האורביטלים (טהורים או היברידיים) של אטומים אחרים מאשר במקרה של אורביטלים אטומיים טהורים ומובילה ליצירת קשרים קוולנטיים חזקים יותר.

אורז. 1. מראה מסלול היברידי.

הרעיון של הכלאה של אורביטלים אטומיים הועלה לראשונה על ידי המדען האמריקאי ל. פאולינג. הוא האמין שלאטום הנכנס לקשר כימי יש אורביטלים אטומיים שונים (s-, p-, d-, f-אורביטלים), וכתוצאה מכך מתרחשת הכלאה של האורביטלים הללו. מהות התהליך היא שאורביטלים אטומיים שווים זה לזה נוצרים מאורביטלים שונים.

סוגי הכלאה של מסלול אטומי

ישנם מספר סוגים של הכלאה:

• . סוג זה של הכלאה מתרחש כאשר מסלול אחד ואחד p מסלול מתערבבים. כתוצאה מכך, נוצרים שני אורביטלי sp מלאים. האורביטלים הללו ממוקמים לכיוון גרעין האטום בצורה כזו שהזווית ביניהם היא 180 מעלות.

אורז. 2. sp-hybridization.

• הכלאה sp2. סוג זה של הכלאה מתרחש כאשר אורביטלי אחד ושני אורביטלים p מתערבבים. כתוצאה מכך נוצרים שלושה אורביטלים היברידיים, הממוקמים באותו מישור בזווית של 120 מעלות זה לזה.
• . סוג זה של הכלאה מתרחש כאשר אורביטלים של אחד ושלושה p מתערבבים. כתוצאה מכך, נוצרים ארבעה אורביטלים sp3 מלאים. אורביטלים אלו מכוונים לחלק העליון של הטטרהדרון וממוקמים בזווית של 109.28 מעלות זה לזה.

הכלאה sp3 אופיינית ליסודות רבים, למשל, אטום הפחמן וחומרים אחרים מקבוצה IV (CH 4, SiH 4, SiF 4, GeH 4 וכו')

אורז. 3. הכלאה sp3.

אפשר גם סוגים מורכבים יותר של הכלאה הכוללים ד-אורביטלים של אטומים.

מה למדנו?

הכלאה היא תהליך כימי מורכב שבו אורביטלים שונים של אטום יוצרים אורביטלים היברידיים זהים (שווים). תורת ההכלאה הושמעה לראשונה על ידי ל. פאולינג האמריקאי. ישנם שלושה סוגים עיקריים של הכלאה: הכלאה sp, הכלאה sp2, הכלאה sp3. ישנם גם סוגים מורכבים יותר של הכלאה הכוללים ד אורביטלים.

הַכלָאָהנקרא תהליך הערבוב ההיפותטי סוגים שונים, אלא אורביטלים של אטום נתון שקרובים באנרגיה עם הופעת אותו מספר של אורביטלים חדשים (היברידיים 1), זהים באנרגיה ובצורה.

הכלאה של אורביטלים אטומיים מתרחשת במהלך היווצרות של קשרים קוולנטיים.

לאורביטלים היברידיים יש צורה של דמות א-סימטרית תלת מימדית שמונה, מוארכת חזק לצד אחד של גרעין האטום: .

צורה זו גורמת לחפיפה חזקה יותר של אורביטלים היברידיים עם האורביטלים (טהורים או היברידיים) של אטומים אחרים מאשר במקרה של אורביטלים אטומיים טהורים ומובילה ליצירת קשרים קוולנטיים חזקים יותר. לכן, האנרגיה המושקעת בהכלאה של אורביטלים אטומיים מתפצת יותר על ידי שחרור אנרגיה עקב היווצרות של קשרים קוולנטיים חזקים יותר הכוללים אורביטלים היברידיים. שמם של אורביטלים היברידיים וסוג ההכלאה נקבעים לפי מספר וסוג האורביטלים האטומיים המשתתפים בהכלאה, למשל: sp-, sp 2 -, sp 3 -, sp 2 ד- אוsp 3 ד 2 -הַכלָאָה.

הכיוון של האורביטלים ההיברידיים, ולכן הגיאומטריה של המולקולה, תלויים בסוג ההכלאה. בפועל, הבעיה ההפוכה נפתרת בדרך כלל: ראשית, הגיאומטריה של המולקולה נקבעת בניסוי, ולאחר מכן מתוארים סוג וצורתם של האורביטלים ההיברידיים המעורבים ביצירתה.

sp -הַכלָאָה. שני היברידיים sp- כתוצאה מדחייה הדדית, האורביטלים ממוקמים ביחס לגרעין האטום באופן שהזווית ביניהם היא 180° (איור 7).

אורז. 7. מיקום הדדי בחלל של שניים sp- אורביטלים היברידיים של אטום אחד: א -משטחים המכסים אזורים בחלל שבהם ההסתברות להימצאות אלקטרון היא 90%; ב -תמונה מותנית.

כתוצאה מסידור זה של אורביטלים היברידיים, למולקולות בהרכב AX 2, כאשר A הוא האטום המרכזי, יש מבנה ליניארי, כלומר, הקשרים הקוולנטיים של כל שלושת האטומים ממוקמים על אותו קו ישר. למשל, במדינה sp- הכלאה, אורביטלי הערכיות של אטום הבריליום במולקולת BeCl 2 ממוקמים (איור 8). תצורה לינארית עקב sp- למולקולות BeH 2, Be(CH 3) 2, ZnCl 2, CO 2, HC≡N ומספר אחרות יש גם הכלאה של אורביטלי הערכיות של אטומים.

אורז. 8. מולקולה ליניארית טריאטומית של בריליום כלוריד BeC1 2 (במצב גזי): 1 - 3ר-אורביטל אטום Cl; 2 - שתיים sp- אורביטלים היברידיים של אטום Be.

ס ר 2 -הַכלָאָה. הבה נבחן את ההכלאה של אחד ס- ושתיים ר-אורביטלים. במקרה זה, כתוצאה משילוב ליניארי של שלושה אורביטלים, נוצרים שלושה אורביטלים היברידיים סר 2 -אורביטלים. הם ממוקמים באותו מישור בזווית של 120 מעלות זה לזה (איור 9). סר 2 -הכלאה אופיינית לתרכובות רבות של בורון, אשר, כפי שמוצג לעיל, במצב הנרגש יש שלושה אלקטרונים בלתי מזווגים: אחד ס- ושתיים ר-אֶלֶקטרוֹן. בעת חפיפה סר 2 -אורביטלים של אטום בורון עם אורביטלים של אטומים אחרים יוצרים שלושה קשרים קוולנטיים, שווים באורכם ובאנרגיה. מולקולות שבהן אורביטלי הערכיות של האטום המרכזי נמצאים במצב סר 2 -הכלאה, בעלי תצורה משולשת. הזוויות בין קשרים קוולנטיים הן 120°. יכול סר 2 -הכלאה הם אורביטלי הערכיות של אטומי בורון במולקולות BF 3, BC1 3, אטומי פחמן וחנקן באניונים CO 3 2 -, NO 3 -.

אורז. 9. עמדה הדדית במרווח של שלושה סר 2 -אורביטלים היברידיים.

ס ר 3 -הַכלָאָה. חומרים שבהם האטום המרכזי מכיל ארבעה הם נפוצים מאוד. סר 3 -אורביטלים הנובעים משילוב ליניארי של אחד ס- ושלושה ר-אורביטלים. אורביטלים אלו ממוקמים בזווית של 109˚28′ זה לזה ומכוונים לכיוון קודקודי הטטרהדרון, שבמרכזו נמצא גרעין אטום(איור 10 א).

יצירת ארבעה קשרים קוולנטיים שווים עקב חפיפה סר 3 -אורביטלים עם אורביטלים של אטומים אחרים אופייניים לאטומי פחמן ולאלמנטים אחרים מקבוצת IVA; זה קובע את המבנה הטטרהדרלי של המולקולות (CH 4, CC1 4, SiH 4, SiF 4, GeH 4, GeBr 4 וכו').

אורז. 10. השפעתם של צמדי אלקטרונים שאינם מתחברים על הגיאומטריה של מולקולות:

א- מתאן (ללא צמדי אלקטרונים שאינם מתחברים);

ב- אמוניה (זוג אלקטרוני אחד לא מקשר);

V– מים (שני זוגות שאינם מתקשרים).

זוגות אלקטרונים בודדים של מסלול היברידי ליי . בכל הדוגמאות שנחשבו, האורביטלים ההיברידיים "אוכלסו" באלקטרונים בודדים. עם זאת, לעתים קרובות ישנם מקרים שבהם מסלול היברידי "תפוס" על ידי זוג אלקטרונים. זה משפיע על הגיאומטריה של המולקולות. מכיוון שזוג אלקטרונים לא-קושר מושפע מגרעין האטום שלו בלבד, וזוג אלקטרונים מקשר מושפע משני גרעיני אטום, זוג האלקטרונים הלא-קושר קרוב יותר לגרעין האטום מאשר זה המקשר. כתוצאה מכך, זוג האלקטרונים הלא-קשור דוחה את צמדי האלקטרונים המחוברים יותר משהם דוחים זה את זה. מבחינה גרפית, למען הבהירות, ניתן לייצג את כוח הדחייה הגדול הפועל בין צמד האלקטרונים הלא מקשר והמקשר על ידי מסלול האלקטרונים הגדול יותר של הזוג הלא מקשר. זוג אלקטרונים לא מקשר נמצא, למשל, על אטום החנקן במולקולת האמוניה (איור 10 ב). כתוצאה מאינטראקציה עם צמדי אלקטרונים מקשרים, זוויות הקשר H-N-H מצטמצמות ל-107.78° בהשוואה ל-109.5° האופייני לטטרהדרון רגיל.

צמדי אלקטרונים מקשרים חווים דחייה גדולה עוד יותר במולקולת מים, שבה יש לאטום החמצן שני זוגות אלקטרונים שאינם קשורים. כתוצאה מכך, הערכיות זווית N-O-Nבמולקולת מים הוא 104.5° (איור 10 V).

אם זוג אלקטרונים שאינו מקשר, כתוצאה מיצירת קשר קוולנטי באמצעות מנגנון התורם-המקבל, הופך לקשר מקשר, אזי כוחות הדחייה בין קשר זה לבין קשרים קוולנטיים אחרים במולקולה משתווים; גם הזוויות בין הקשרים הללו מיושרות. זה מתרחש, למשל, במהלך היווצרות של קטיון אמוניום:

השתתפות בהכלאה ד -אורביטלים. אם האנרגיה של אטומי ד- אורביטלים אינם שונים מאוד מאנרגיות ס- ו ר-אורביטלים, אז הם יכולים להשתתף בהכלאה. הסוג הנפוץ ביותר של הכלאה הכולל ד- אורביטלים הוא סר 3 ד 2 - הכלאה, כתוצאה ממנה נוצרים שישה אורביטלים היברידיים בעלי צורה ואנרגיה שווים (איור 11 א), הממוקמים בזווית של 90˚ זה לזה ומכוונים לעבר קודקודי האוקטהדרון, שבמרכזו נמצא גרעין האטום. אוקטהדרון (איור 11 ב) – הוא אוקטהדרון רגיל: כל הקצוות בו באורך שווה, כל הפנים הם משולשים רגילים.

אורז. אחד עשר. סר 3 ד 2 - הַכלָאָה

פחות נפוץ סר 3 ד- הכלאה ליצירת חמישה אורביטלים היברידיים (איור 12 א), מכוון לקודקודים של הדו-פירמידה הטריגונלית (איור 12 ב). דו-פירמידה משולשת נוצרת על ידי חיבור של שתי פירמידות שווה שוקיים עם בסיס משותף - משולש רגיל. משיכות מודגשות באיור. 12 במוצגים קצוות באורך שווה. מבחינה גיאומטרית ואנרגטית סר 3 ד- אורביטלים היברידיים אינם שווים: שלושה אורביטלים "שווניים" מכוונים לקודקודים משולש רגיל, ושני "ציריים" - למעלה ולמטה בניצב למישור של משולש זה (איור 12 V). הזוויות בין האורביטלים ה"משווניים" שוות ל-120°, כמו ב סר 2 - הַכלָאָה. הזווית בין ה"צירי" לכל אחד מהאורביטלים ה"קווטוריים" היא 90°. בהתאם לכך, קשרים קוולנטיים שנוצרים בהשתתפות אורביטלים "שווניים" שונים באורך ובאנרגיה מקשרים שבהיווצרותם משתתפים אורביטלים "ציריים". לדוגמה, במולקולת PC1 5, הקשרים ה"ציריים" הם באורך 214 pm, והקשרים ה"קווטוריאליים" הם באורך 202 pm.

אורז. 12. סר 3 ד- הַכלָאָה

לפיכך, בהתחשב בקשרים קוולנטיים כתוצאה מאורביטלים אטומיים חופפים, ניתן להסביר את הגיאומטריה של המולקולות והיונים המתקבלים, אשר תלויה במספר ובסוג האורביטלים האטומיים המעורבים ביצירת הקשרים. הרעיון של הכלאה של אורביטלים אטומיים, יש צורך להבין שהכלאה היא טכניקה קונבנציונלית המאפשרת לך להסביר בבירור את הגיאומטריה של מולקולה באמצעות שילוב של AOs.

בשנת 1930 פיתחו סלייטר ול.פולינג את התיאוריה של יצירת קשרים קוולנטיים עקב חפיפה אורביטלים של אלקטרונים– שיטת קשרי ערכיות. שיטה זו מבוססת על שיטת ההכלאה, המתארת ​​יצירת מולקולות של חומרים עקב "ערבוב" של אורביטלים היברידיים ("לא האלקטרונים מתערבבים, אלא האורביטלים").

הַגדָרָה

הַכלָאָה- ערבוב של אורביטלים ויישור צורתם והאנרגיה שלהם. לפיכך, בעת ערבוב s- ו-p-אורביטלים, נקבל את סוג ההכלאה של sp, s- ו-2 p-אורביטלים - sp 2, s- ו-3 p-אורביטלים - sp 3. ישנם סוגים נוספים של הכלאה, למשל, sp 3 d, sp 3 d 2 ומורכבים יותר.

קביעת סוג ההכלאה של מולקולות עם קשר קוולנטי

ניתן לקבוע את סוג ההכלאה רק עבור מולקולות בעלות קשר קוולנטי מסוג AB n, כאשר n גדול או שווה לשניים, A הוא האטום המרכזי, B הוא הליגנד. רק אורביטלי הערכיות של האטום המרכזי עוברים הכלאה.

הבה נקבע את סוג ההכלאה באמצעות הדוגמה של מולקולת BeH 2.

בתחילה, אנו רושמים את התצורות האלקטרוניות של האטום המרכזי והליגנד ומציירים נוסחאות גרפיות של אלקטרונים.

לאטום הבריליום (אטום מרכזי) יש אורביטלים פנויים של 2p, לכן, כדי לקבל אלקטרון אחד מכל אטום מימן (ליגנד) ליצירת מולקולת BeH 2, הוא צריך לעבור למצב נרגש:

היווצרות מולקולת BeH 2 מתרחשת עקב חפיפה של אורביטלי הערכיות של אטום Be

* האלקטרונים של מימן מסומנים באדום, והאלקטרונים של בריליום בשחור.

סוג ההכלאה נקבע לפי איזה אורביטלים חופפים, כלומר, מולקולת BeH 2 נמצאת ב-sp - הכלאה.

בנוסף למולקולות בהרכב AB n, השיטה של ​​קשרי ערכיות יכולה לקבוע את סוג ההכלאה של מולקולות עם קשרים מרובים. בואו נסתכל על הדוגמה של מולקולת האתילן C 2 H 4 . למולקולת האתילן יש קשר כפול מרובה, שנוצר על ידי קשרים ו-. כדי לקבוע הכלאה, אנו רושמים את התצורות האלקטרוניות ומציירים נוסחאות גרפיות אלקטרוניות של האטומים המרכיבים את המולקולה:

6 C 2s 2 2s 2 2p 2

לאטום הפחמן יש יותר p-אורביטל פנוי אחד, לכן, כדי לקבל 4 אטומי מימן הוא צריך לעבור למצב נרגש:

נדרש p-אורביטל אחד כדי ליצור קשר - (מודגש באדום), שכן הקשר נוצר על ידי חפיפה "טהור" (לא היברידי) p-אורביטלים. שאר אורביטלי הערכיות נכנסים להכלאה. לפיכך, אתילן נמצא בהכלאה sp 2.

קביעת המבנה הגיאומטרי של מולקולות

ניתן לקבוע את המבנה הגיאומטרי של מולקולות, כמו גם קטיונים ואניונים בהרכב AB n בשיטת Gillespie. שיטה זו מבוססת על זוגות ערכיות של אלקטרונים. המבנה הגיאומטרי מושפע לא רק מהאלקטרונים המעורבים ביצירת קשר כימי, אלא גם מזוגות אלקטרונים בודדים. בשיטה של ​​גילספי, כל זוג אלקטרונים בודד מסומן E, האטום המרכזי מסומן A, והליגנד מסומן B.

אם אין זוגות אלקטרונים בודדים, אז הרכב המולקולות יכול להיות AB 2 (מבנה מולקולרי ליניארי), AB 3 (מבנה משולש שטוח), AB4 (מבנה טטרהדרלי), AB 5 (מבנה דו-פירמידה טריגונל) ו-AB 6 (אוקטהדרלית) מִבְנֶה). ניתן לקבל נגזרות ממבנים בסיסיים אם מופיע זוג אלקטרונים בודד במקום ליגנד. לדוגמא: AB 3 E (מבנה פירמידלי), AB 2 E 2 (מבנה זוויתי של המולקולה).

כדי לקבוע את המבנה (מבנה) הגיאומטרי של מולקולה, יש צורך לקבוע את הרכב החלקיק, שעבורו מחושב מספר זוגות האלקטרונים הבודדים (LEP):

NEP = ( מספר כוללאלקטרונים ערכיים - מספר האלקטרונים המשמשים ליצירת קשרים עם ליגנדים) / 2

הקשר עם H, Cl, Br, I, F דורש 1 אלקטרון מ-A, הקשר עם O לוקח 2 אלקטרונים, והקשר עם N לוקח 3 אלקטרונים מהאטום המרכזי.

בואו נסתכל על הדוגמה של מולקולת BCl 3. האטום המרכזי הוא B.

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

NEP = (3-3)/2 = 0, לכן אין זוגות אלקטרונים בודדים ולמולקולה יש את המבנה AB 3 - משולש שטוח.

מבנה גיאומטרי מפורט של מולקולות הרכב שונהמוצג בטבלה. 1.

טבלה 1. מבנה מרחבי של מולקולות

דוגמאות לפתרון בעיות

דוגמה 1