סוג הכלאה co. הכלאה של אורביטלים אלקטרונים וגיאומטריה מולקולרית

הכלאה של אורביטלים אטומיים וגיאומטריה מולקולרית

מאפיין חשובמולקולה המורכבת מיותר משני אטומים היא שלה תצורה גיאומטרית.זה נקבע על ידי הסידור ההדדי של אורביטלים אטומיים המעורבים ביצירת קשרים כימיים.

חפיפה של ענני אלקטרונים אפשרית רק עם כיוון יחסי מסוים של ענני האלקטרונים; במקרה זה, אזור החפיפה ממוקם בכיוון מסוים ביחס לאטומים המקיימים אינטראקציה.

טבלה 1 הכלאה של אורביטלים ותצורה מרחבית של מולקולות

לאטום בריליום נרגש יש תצורה של 2s 1 2p 1, לאטום בורון נרגש יש תצורה של 2s 1 2p 2, ולאטום פחמן נרגש יש תצורה של 2s 1 2p 3. לכן, אנו יכולים להניח שלא אותו, אלא אורביטלים אטומיים שונים יכולים להשתתף ביצירת קשרים כימיים. לדוגמה, בתרכובות כגון BeCl 2, BeCl 3, CCl 4 צריכים להיות קשרים בעלי חוזק וכיוונים לא שווים, וקשרי σ מ-p-orbitals צריכים להיות חזקים יותר מקשרים מ-s-orbitals, כי עבור p-orbitals ישנם תנאים נוחים יותר לחפיפה. עם זאת, הניסיון מלמד שבמולקולות המכילות אטומים מרכזיים עם אורביטלים ערכיים שונים (s, p, d), כל הקשרים שווים. הסבר לכך ניתן על ידי סלייטר ופולינג. הם הגיעו למסקנה שאורביטלים שונים, שאינם שונים מאוד באנרגיה, יוצרים מספר מקביל של אורביטלים היברידיים. אורביטלים היברידיים (מעורבים) נוצרים מאורביטלים אטומיים שונים. מספר האורביטלים ההיברידיים שווה למספר האורביטלים האטומיים המעורבים בהכלאה. אורביטלים היברידיים זהים בצורת ענן אלקטרונים ובאנרגיה. בהשוואה לאורביטלים אטומיים, הם מוארכים יותר בכיוון היווצרות של קשרים כימיים ולכן מספקים חפיפה טובה יותר של ענני אלקטרונים.

הכלאה של אורביטלים אטומיים דורשת אנרגיה, ולכן אורביטלים היברידיים באטום מבודד אינם יציבים ונוטים להפוך ל-AOs טהורים. כאשר נוצרים קשרים כימיים, האורביטלים ההיברידיים מתייצבים. בשל הקשרים החזקים יותר שנוצרים על ידי האורביטלים ההיברידיים, משתחררת יותר אנרגיה מהמערכת ולכן המערכת הופכת יציבה יותר.

sp-hybridization מתרחשת, למשל, במהלך היווצרות של Halide Be, Zn, Co ו-Hg (II). במצב הערכיות, כל הלידי המתכת מכילים s ואלקטרונים בלתי מזווגים ברמת האנרגיה המתאימה. כאשר נוצרת מולקולה, s אחד ומסלול p אחד יוצרים שני אורביטלים היברידיים sp בזווית של 180 מעלות.

איור 3אורביטלים היברידיים sp

נתונים ניסויים מראים שהלידים של Be, Zn, Cd ו-Hg(II) הם כולם ליניאריים ושני הקשרים באותו אורך.

הכלאה sp 2

כתוצאה מהכלאה של s-orbital אחד ושני p-orbitals, נוצרים שלושה אורביטלים היברידיים sp 2, הממוקמים באותו מישור בזווית של 120 o זה לזה. זוהי, למשל, התצורה של מולקולת BF 3:

איור.4הכלאה sp 2

הכלאה sp 3

הכלאה sp 3 אופיינית לתרכובות פחמן. כתוצאה מהכלאה של מסלול אחד ושלוש

p-אורביטלים, נוצרים ארבעה אורביטלים היברידיים sp 3 המכוונים לקודקודי הטטרהדרון עם זווית בין האורביטלים של 109.5 o. הכלאה מתבטאת בהשקילות מוחלטת של הקשרים של אטום פחמן עם אטומים אחרים בתרכובות, למשל ב-CH 4, CCl 4, C(CH 3) 4 וכו'.

איור.5הכלאה sp 3

אם כל האורביטלים ההיברידיים מחוברים לאותם אטומים, אז הקשרים אינם שונים זה מזה. במקרים אחרים, מתרחשות סטיות קלות מזוויות קשר סטנדרטיות. לדוגמה, במולקולת המים H 2 O, חמצן - sp 3 -hybrid, ממוקם במרכזו של טטרהדרון לא סדיר, שבקודקודיו "נראים" שני אטומי מימן ושני זוגות בודדים של אלקטרונים (איור 2). . צורת המולקולה היא זוויתית במבט ממרכזי האטומים. זווית הקשר HOH היא 105°, שזה די קרוב לערך התיאורטי של 109°.

איור 6 sp 3 - הכלאה של אטומי חמצן וחנקן במולקולות א) H 2 O ו- b) NCl 3.

אם לא הייתה הכלאה ("יישור" אג"ח O-H), זווית הקשר של HOH תהיה 90° מכיוון שאטומי המימן יהיו מחוברים לשני אורביטלים p מאונכים זה לזה. במקרה הזה, העולם שלנו כנראה היה נראה אחרת לגמרי.

תיאוריית ההכלאה מסבירה את הגיאומטריה של מולקולת האמוניה. כתוצאה מהכלאה של 2s ושלושה אורביטלים 2p של חנקן, נוצרים ארבעה אורביטלים היברידיים sp 3. התצורה של המולקולה היא טטרהדרון מעוות, שבו שלושה אורביטלים היברידיים משתתפים ביצירת קשר כימי, אך הרביעי עם זוג אלקטרונים לא. זוויות ביניהן קשרי N-Hלא שווה ל-90° כמו בפירמידה, אבל גם לא שווה ל-109.5°, המקביל לטטרהדרון.

איור 7 sp 3 - הכלאה במולקולת אמוניה

כאשר אמוניה מקיימת אינטראקציה עם יון מימן, כתוצאה מאינטראקציה של תורם-מקבל, נוצר יון אמוניום, שתצורתו היא טטרהדרון.

הכלאה מסבירה גם את ההבדל בזווית ביניהן חיבורי O-Hבפינת מולקולת המים. כתוצאה מהכלאה של 2s ושלושה אורביטלים 2p של חמצן, נוצרים ארבעה אורביטלים היברידיים sp 3, מתוכם רק שניים מעורבים ביצירת קשר כימי, מה שמוביל לעיוות של הזווית המקבילה לטטרהדרון. .

איור.8הכלאה sp 3 במולקולת מים

הכלאה יכולה לכלול לא רק s- ו-p-אורביטלים, אלא גם d- ו-f-אורביטלים.

עם הכלאה sp 3 d 2, נוצרים 6 עננים שווים. הוא נצפה בתרכובות כגון 4-, 4-. במקרה זה, למולקולה יש תצורה של אוקטהדרון:

אורז. 9 d 2 sp 3 -הכלאה ביון 4-

רעיונות על הכלאה מאפשרים להבין תכונות מבניות כאלה של מולקולות שלא ניתן להסבירן בדרך אחרת.

הכלאה של אורביטלים אטומיים (AO) מובילה לעקירה של ענן האלקטרונים לכיוון יצירת קשרים עם אטומים אחרים. כתוצאה מכך, שטחי החפיפה של אורביטלים היברידיים מתבררים כגדולים יותר מאשר עבור אורביטלים טהורים וחוזק הקשר עולה.

אנחנו שומעים הרבה על כלאיים. סרטים וספרים מדברים עליהם, וגם המדע בוחן אותם. בשני המקורות הראשונים, כלאיים הם יצורים מסוכנים מאוד. הם יכולים להביא הרבה רוע. אבל הכלאה היא לא תמיד דבר רע. לעתים קרובות זה טוב.

דוגמה להכלאה היא כל אדם. כולנו בני כלאיים של שני אנשים - אבא ואמא. לפיכך, היתוך של ביצית וזרע הוא גם סוג של הכלאה. המנגנון הזה הוא שמאפשר לאבולוציה להתקדם. במקרה זה, הכלאה מתרחשת גם עם סימן שלילי. בואו נשקול התופעה הזובדרך כלל.

רעיון כללי של הכלאה

עם זאת, לא רק ביולוגיה כוללת המושג הזה. ותן המבוא לשקול דוגמה עם כלאיים כיחידים מן המניין של בלתי מובן מינים ביולוגיים. יתר על כן, מושג זה יכול לשמש במדעים אחרים. והמשמעות של המונח הזה תהיה מעט שונה. אבל יחד עם זאת, עדיין יש משהו משותף. המילה "איחוד" היא שמאחדת הכל ערכים אפשרייםשל קדנציה זו.

איפה המושג הזה קיים?

המונח "הכלאה" משמש במספר מדעים. ומכיוון שרוב הדיסציפלינות הקיימות כיום חופפות, אנו יכולים לדבר בבטחה על השימוש בכל משמעות של מונח זה בכל מדע, בדרך זו או אחרת הקשורה לתחומי מחקר טבעי. במקביל, המונח הזה נמצא בשימוש הפעיל ביותר ב:

1. ביולוגיה. מכאן מגיע המושג היברידי. אמנם, כמו תמיד, כאשר עוברים ממדע ל חיי יום יוםהיה איזשהו מצג שווא של עובדות. בהכלאה אנו מתכוונים לפרט הנובע מחציית שני מינים אחרים. למרות שזה לא תמיד קורה.
2. כִּימִיָה. מושג זה פירושו ערבוב של מספר אורביטלים - נתיבים ייחודיים של תנועת אלקטרונים.
3. בִּיוֹכִימִיָה. מושג המפתח כאן הוא הכלאה של DNA.

כפי שאתה יכול לראות, הנקודה השלישית נמצאת בצומת של שני מדעים. וזה תרגול נורמלי לחלוטין. אותו מונח יכול ליצור משמעות שונה לחלוטין בצומת של שני מדעים. הבה נסתכל מקרוב על מושג ההכלאה במדעים אלה.

מה זה היברידי?

כלאיים הוא יצור שנוצר באמצעות תהליך ההכלאה. מושג זה מתייחס לביולוגיה. ניתן להשיג כלאיים בטעות או בכוונה. במקרה הראשון, אלה יכולים להיות בעלי חיים שנוצרים בתהליך ההזדווגות של שני מינים שונים של יצורים.

למשל, הם מדברים על כך שלחתולים וכלבים יש ילדים שאינם אף אחד מהם. לפעמים כלאיים נוצרים בכוונה. לדוגמה, כאשר דובדבן מחובר למשמש, אנו עוסקים בהכלאה מיוחדת.

הכלאה בביולוגיה

ביולוגיה - מדע מעניין. והמושג הכלאה מרתק לא פחות. מונח זה מתייחס לשילוב של חומר גנטי מתאי שונים לאחד. אלה יכולים להיות נציגים של מין אחד או כמה. בהתאם, יש חלוקה לסוגי הכלאה כאלה.

• הכלאה תוך ספציפית. זה כאשר שני פרטים מאותו מין יוצרים צאצא. דוגמה להכלאה תוך ספציפית היא בני אדם. זה הושג באמצעות תהליך היתוך של תאי נבט של נציגים של מין ביולוגי אחד.
• הכלאה בין ספציפית. זה כאשר חוצים בעלי חיים דומים, אך שייכים למינים שונים. לדוגמה, הכלאה של סוס וזברה.
• הכלאה מרוחקת. זה כאשר נציגים של לפחות אותו מין משתלבים, אך אינם מאוחדים בקשרי משפחה.

כל אחד מהזנים הללו עוזר לא רק לאבולוציה. מדענים גם מנסים באופן פעיל להכליא סוגים שוניםיצורים חיים. זה עובד הכי טוב עם צמחים. יש לכך מספר סיבות:

• מספר שונה של כרומוזומים. לכל מין יש לא רק מספר מסוים של כרומוזומים, אלא גם קבוצה שלהם. כל זה מפריע לרבייה של צאצאים.
• רק צמחים היברידיים יכולים להתרבות. וזה לא תמיד המצב.
• רק צמחים יכולים להיות פוליפלואידים. כדי שצמח יוכל להתרבות, הוא חייב להפוך לפוליפלואיד. במקרה של בעלי חיים, זהו מוות בטוח.
• אפשרות להכלאה וגטטיבית. זה מאוד פשוט ו דרך נוחהיצירת הכלאות של מספר צמחים.

אלו הסיבות לכך שחציית שני צמחים הרבה יותר קלה ויעילה. במקרה של בעלי חיים, ייתכן שניתן יהיה להשיג אפשרות של רבייה בעתיד. אבל הלאה הרגע הזההדעה הרשמית בביולוגיה היא שבעלי חיים היברידיים מאבדים את יכולת ההתרבות, מכיוון שהפרטים הללו אינם יציבים גנטית. לכן, לא ידוע למה רבייה שלהם עלולה להוביל.

סוגי הכלאה בביולוגיה

ביולוגיה היא מדע רחב למדי בהתמחותו. ישנם שני סוגים של הכלאה שהוא מספק:

1. גֵנֵטִי. זה כאשר שני תאים הופכים לאחד עם סט ייחודי של כרומוזומים.
2. ביוכימי. דוגמה לסוג זה היא הכלאה של DNA. זה כאשר חומצות גרעין משלימות מתחברות ליצירת DNA אחד.

ניתן לחלק ב כמות גדולהזנים. אבל עשינו זאת בתת-סעיף הקודם. לפיכך, הכלאה מרוחקת ותוך ספציפית הם מרכיבים מהסוג הראשון. ושם הסיווג מתרחב עוד יותר.

הרעיון של הכלאה וגטטיבית

הכלאה וגטטיבית היא מושג בביולוגיה שמשמעותו סוג של הצלבה של שני צמחים שבהם חלק ממין אחד משתרש על אחר. כלומר, הכלאה מתרחשת עקב שילוב של שניים חלקים שוניםגוּף. כן, כך אפשר לאפיין צמח. הרי יש לו גם איברים משלו, המאוחדים למערכת שלמה. לכן, אם אתה קורא לצמח אורגניזם, אין בזה שום דבר רע.

להכלאה וגטטיבית יש מספר יתרונות. זֶה:

• נוֹחוּת.
• פַּשְׁטוּת.
• יְעִילוּת.
• פּרַקטִיוּת.

יתרונות אלו הופכים סוג זה של הכלאה לפופולרי מאוד בקרב גננים. יש גם דבר כזה הכלאה סומטית. זה כאשר לא חוצים תאי נבט, אלא תאים סומטיים, או יותר נכון, הפרוטופלסטים שלהם. השיטה הזאתההצלבה מתבצעת כאשר אי אפשר ליצור הכלאה באמצעים מיניים סטנדרטיים בין מספר צמחים.

הכלאה בכימיה

אבל עכשיו נזוז מעט מהביולוגיה ונדבר על מדע אחר. לכימיה יש מושג משלה, זה נקרא "הכלאה של אורביטלים אטומיים". זה מונח מאוד מורכב, אבל אם אתה מבין קצת כימיה, אז אין בזה שום דבר מסובך. ראשית עלינו להסביר מהו מסלול.

זהו סוג של נתיב שלאורכו נע האלקטרון. לימדו אותנו את זה בבית הספר. ואם יקרה שהאורביטלים האלה סוגים שוניםמעורב, מתקבל היברידית. ישנם שלושה סוגים של תופעות הנקראות "הכלאה מסלולית". אלו הם הזנים הבאים:

• sp hybridization - אחד s והשני p orbital;
• sp 2 הכלאה - s אחד ושני p orbitals;
• הכלאה sp 3 - אורביטלים s אחד ושלושה p משולבים.

נושא זה מורכב למדי ללימוד, ויש לשקול אותו באופן בלתי נפרד משאר התיאוריה. יתרה מזאת, המושג של הכלאה מסלולית נוגע יותר לסוף של נושא זה, ולא להתחלה. אחרי הכל, אתה צריך ללמוד את עצם הרעיון של אורביטלים, מה הם, וכן הלאה.

מסקנות

אז, הבנו את המשמעות של המושג "הכלאה". זה מתברר כמעניין למדי. עבור רבים, זה היה תגלית שגם לכימיה יש את המושג הזה. אבל אם אנשים כאלה לא ידעו זאת, אז מה הם יכלו ללמוד? וכך, יש התפתחות. חשוב לא להפסיק להכשיר את הידע שלך, כי זה בהחלט יאפיין אותך על הצד הטוב.

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, זווית הקשר H-O-H במולקולת מים היא 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.

הַכלָאָה- יישור (ערבוב) של אורביטלים אטומיים ( סו ר) עם היווצרות של אורביטלים אטומיים חדשים הנקראים אורביטלים היברידיים.

מסלול אטומיהיא פונקציה המתארת ​​את צפיפות ענן האלקטרונים בכל נקודה בחלל מסביב לגרעין האטום. ענן אלקטרונים הוא אזור בחלל שבו ניתן לזהות אלקטרון בסבירות גבוהה

הכלאה Sp

מתרחש כאשר אחד s-ואחד p-אורביטלי מתערבבים. נוצרים שני אורביטלים אטומיים sp-אטומיים שוות ערך, הממוקמים באופן ליניארי בזווית של 180 מעלות ומכוונים לכיוונים שונים מגרעין האטום המרכזי. שני ה-p-אורביטלים הנותרים הלא-היברידיים ממוקמים במישורים בניצב זה לזה ומשתתפים ביצירת קשרי π או תופסים זוגות בודדים של אלקטרונים.

הכלאה של Sp2

הכלאה של Sp2

מתרחש כאשר אחד s- ושני p-אורביטלים מתערבבים. שלושה אורביטלים היברידיים נוצרים עם צירים הממוקמים באותו מישור ומכוונים לקודקודי המשולש בזווית של 120 מעלות. מסלול ה-p-אטומי הלא-היברידי מאונך למישור, וככלל מעורב ביצירת קשרי π

הטבלה מציגה דוגמאות להתאמה בין סוגי ההכלאה הנפוצים ביותר לבין המבנה הגיאומטרי של מולקולות, בהנחה שכל האורביטלים ההיברידיים מעורבים ביצירת קשרים כימיים (אין זוגות אלקטרונים בודדים)

4. קשרי מימן אלקטרוולנטיים, קוולנטיים, תורם-מקבל, קשרי מימן. מבנה אלקטרוני של קשרי σ ו-π. מאפיינים עיקריים של קשר קוולנטי: אנרגיית קשר, אורך, זווית קשר, קוטביות, קיטוב.

אם יש אינטראקציה אלקטרוסטטית בין שני אטומים או שתי קבוצות של אטומים המובילה למשיכה חזקה וליצירת קשר כימי, אזי קשר כזה נקרא אלקטרוולנטי או הטרופולארי.

קשר קוולנטי- קשר כימי שנוצר על ידי חפיפה של זוג ענני אלקטרונים ערכיים. ענני האלקטרונים המספקים תקשורת נקראים זוג אלקטרונים משותף.

קשר תורם-מקבל הוא קשר כימי בין שני אטומים או קבוצת אטומים, המתבצע על ידי זוג בודד של אלקטרונים של אטום אחד (תורם) ורמה חופשית של אטום אחר (מקבל). קשר זה שונה מקשר קוולנטי במקור הקשר האלקטרוני.

קשר מימן - זהו סוג של אינטראקציה כימית של אטומים במולקולה, המאופיינת בכך שאטום מימן, שכבר קשור באופן קוולנטי לאטומים אחרים, לוקח בו חלק משמעותי

הקשר σ הוא הקשר הראשון והחזק יותר שנוצר כאשר ענני אלקטרונים חופפים לכיוון הקו הישר המחבר בין מרכזי האטומים.

קשרי σ הם קשרים קוולנטיים רגילים בין אטומי פחמן לאטומי מימן. מולקולות של פחמנים רוויים מכילות רק קשרי σ.

קשר π הוא קשר חלש יותר שנוצר כאשר מישורי האלקטרונים של אטומים גרעיניים חופפים

אלקטרוני הקשר π ו-σ מאבדים את השתייכותם לאטום ספציפי.

תכונות של קשרי σ ו-π: 1) סיבוב של אטומי פחמן במולקולה אפשרי אם הם מחוברים בקשר σ; 2) הופעת קשר π מונעת מאטום הפחמן במולקולה סיבוב חופשי.

אורך קישור- הוא המרחק בין מרכזים של אטומים קשורים.

זווית קשר- היא הזווית בין שני קשרים שחולקים אטום משותף.

אנרגיית תקשורת- אנרגיה המשתחררת במהלך היווצרות כימיקל. חיבור וחוזקו מאופיינים

קוטביות תקשורת נובעת מהתפלגות לא אחידה של צפיפות האלקטרונים עקב הבדלים באלקטרושליליות של אטומים. על בסיס זה, קשרים קוולנטיים מחולקים לא-קוטביים וקוטביים. יכולת קיטוב ההתקשרות מתבטאת בעקירה של אלקטרונים מקשרים בהשפעת שדה חשמלי חיצוני, כולל זה של חלקיק מגיב אחר. יכולת הקיטוב נקבעת על ידי ניידות אלקטרונים. הקוטביות והקיטוב של קשרים קוולנטיים קובעים את התגובתיות של מולקולות כלפי ריאגנטים קוטביים.

5. קשר יוני (אלקטרוולנטי) -קשר כימי חזק מאוד שנוצר בין אטומים עם הבדל גדול באלקטרושליליות, שבו זוג האלקטרונים המשותף עובר עדיפות לאטום בעל האלקטרושליליות גבוהה יותר. קשר קוולנטי - מתרחש עקב שיתוף של זוג אלקטרונים באמצעות מנגנון החלפה, כאשר כל אחד מהאטומים המקיימים אינטראקציה מספק אלקטרון אחד. קשר תורם-מקבל (קשר קואורדינציה) קשר כימי בין שני אטומים או קבוצת אטומים, המתבצע עקב זוג אלקטרונים בודד של אטום אחד (תורם) ומסלול חופשי של אטום אחר (מקבל). דוגמה NH4 למימן קשרים להתרחש, חשוב שיהיו אטומים במולקולות של החומר מימן הקשורים לאטומים קטנים אך אלקטרוניים שליליים, למשל: O, N, F. זה יוצר מטען חיובי חלקי ניכר על אטומי המימן. מצד שני, חשוב שלאטומים אלקטרוניים שליליים יהיו זוגות בודדים של אלקטרונים. כאשר אטום מימן מדולדל מאלקטרונים של מולקולה (מקבל) אחת מקיים אינטראקציה עם זוג אלקטרונים בודד על אטום N, O או F של מולקולה אחרת (תורם), נוצר קשר הדומה לקשר קוולנטי קוטבי. כאשר נוצר קשר קוולנטי במולקולות של תרכובות אורגניות, זוג האלקטרונים המשותף תופס אורביטלים מולקולריים מקשרים בעלי אנרגיה נמוכה יותר. בהתאם לצורת ה-MO – σ-MO או π-MO – הקשרים הנוצרים מסווגים כ-σ- או p-type. σ-Bond הוא קשר קוולנטי שנוצר על ידי חפיפה של s-, p- ו-AOs היברידיים לאורך הציר המחבר את גרעיני האטומים הקשורים (כלומר, על ידי חפיפה צירית של AOs). π-Bond הוא קשר קוולנטי המתרחש כאשר p-AOs שאינם היברידיים חופפים לרוחב. חפיפה זו מתרחשת מחוץ לקו הישר המחבר את גרעיני האטומים.
π-קשרים מתרחשים בין אטומים שכבר מחוברים בקשר σ (נוצרים קשרים קוולנטיים כפולים ומשולשים). הקשר π חלש יותר מהקשר σ בגלל החפיפה הפחות מלאה של ה-p-AO. המבנים השונים של אורביטלים מולקולריים σ ו-π קובעים מאפייניםקשרי σ ו-π. קשר 1.σ חזק יותר מהקשר π. זה נובע מחפיפה צירית יעילה יותר של AO במהלך היווצרות σ-MO ונוכחות של σ-אלקטרונים בין הגרעינים. 2. על ידי קשרי σ, סיבוב תוך-מולקולרי של אטומים אפשרי, שכן צורת ה-σ-MO מאפשרת סיבוב כזה מבלי לשבור את הקשר (ראו הנפשה. תמונה למטה)). סיבוב לאורך קשר כפול (σ + π) בלתי אפשרי מבלי לשבור את הקשר π! 3. לאלקטרונים על π-MO, בהיותם מחוץ למרחב הבין-גרעיני, יש ניידות גדולה יותר בהשוואה לאלקטרונים σ. לכן, יכולת הקיטוב של הקשר π גבוהה בהרבה מזו של הקשר σ.

התכונות האופייניות של קשר קוולנטי - כיווניות, רוויה, קוטביות, קיטוב - קובעות את הכימיקלים והן תכונות גשמיותקשרים.

כיוון החיבור נקבע לפי המבנה המולקולרי של החומר והצורה הגיאומטרית של המולקולה שלו. הזוויות בין שני קשרים נקראות זוויות קשר.

רוויה היא היכולת של אטומים ליצור מספר מוגבל של קשרים קוולנטיים. מספר הקשרים הנוצרים על ידי אטום מוגבל במספר האורביטלים האטומיים החיצוניים שלו.

הקוטביות של הקשר נובעת מהתפלגות לא אחידה של צפיפות האלקטרונים עקב הבדלים באלקטרושליליות של האטומים. על בסיס זה, קשרים קוולנטיים מחולקים לא-קוטביים וקוטביים (לא-קוטביים - מולקולה דיאטומית מורכבת מאטומים זהים (H 2, Cl 2, N 2) וענני האלקטרונים של כל אטום מפוזרים באופן סימטרי ביחס לאטומים אלו. ; קוטבי - מולקולה דיאטומית מורכבת מאטומים של יסודות כימיים שונים, וענן האלקטרונים הכללי עובר לכיוון אחד האטומים, ובכך יוצר אסימטריה בחלוקת המטען החשמלי במולקולה, ויוצר מומנט דיפול של המולקולה).

יכולת הקיטוב של קשר מתבטאת בעקירה של אלקטרוני הקשר בהשפעת שדה חשמלי חיצוני, כולל זה של חלקיק מגיב אחר. יכולת הקיטוב נקבעת על ידי ניידות אלקטרונים. הקוטביות והקיטוב של קשרים קוולנטיים קובעים את התגובתיות של מולקולות כלפי ריאגנטים קוטביים.

6.מינוחהיא מערכת כללים המאפשרת לתת שם חד משמעי לכל חיבור בנפרד. עבור הרפואה, הכרת הכללים הכלליים של המינוח חשובה במיוחד, שכן בהתאם להם בנויים שמות של תרופות רבות. כיום זה מקובל באופן כללי מינוח שיטתי של IUPAC(IUPAC - International Union of Pure and Applied Chemistry)*.

עם זאת, הם עדיין נשמרים ונמצאים בשימוש נרחב (במיוחד ברפואה) קַטנוּנִישמות (רגילים) וטריוויאליים למחצה ששימשו עוד לפני שהיוודע מבנה החומר. שמות אלה עשויים לשקף מקורות טבעיים ושיטות ייצור, תכונות ויישומים בולטים במיוחד. לדוגמה, לקטוז (סוכר חלב) מבודד מחלב (מ לאט. לקטום- חלב), חומצה פלמיטית - משמן דקלים, חומצה פירובית מתקבלת על ידי פירוליזה של חומצת ענבים, השם גליצרין משקף את זה טעם מתוק(מיוונית גליקיס- מתוק).

לתרכובות טבעיות יש לרוב שמות טריוויאליים - חומצות אמינו, פחמימות, אלקלואידים, סטרואידים. השימוש בכמה שמות טריוויאליים וסמי-טריוויאליים מבוססים מותר על פי כללי IUPAC. שמות כאלה כוללים, למשל, "גליצרול" ושמות של פחמימנים ארומטיים ידועים רבים ונגזרותיהם.

מינוח רציונלי של פחמימנים רוויים

בניגוד לשמות הטריוויאליים, הם מבוססים על מבנה המולקולות. שמות של מבנים מורכבים מורכבים משמות הגושים של אותם רדיקלים הקשורים ליחידה החשובה ביותר של המולקולה. לפי מינוח זה, אלקנים נחשבים כנגזרות של מתאן שבהן אטומי המימן מוחלפים בתאים המקבילים. רדיקלים. הבחירה בפחמן מתאן היא שרירותית, ולכן לתרכובת אחת יכולים להיות מספר שמות.לפי מינוח זה, אלקנים נחשבים כנגזרות של אתילן ואלקין-אצטילן.

7. הומולוגיה של תרכובות אורגניותאו חוק ההומולוגים- מורכב מכך שחומרים בעלי אותה פונקציה כימית ואותו מבנה שונים זה מזה על ידיההרכב האטומי שלהם רק על nCH 2, מסתבר שהם מאוחדים בכל ההרכבים הכימיים האחרים שלהם. אופי, וההבדל בתכונות הפיזיקליות שלהם גדל או משתנה באופן כללי ככל שההבדל בהרכב גדל, נקבע לפי מספר n של קבוצות CH 2. כימיקלים כאלה. תרכובות דומות יוצרות מה שנקרא. סדרה הומולוגית, שההרכב האטומי של כל איבריה יכול לבוא לידי ביטוי בנוסחה כללית בהתאם להרכב האיבר הראשון בסדרה ולמספר אטומי הפחמן; חומרים אורגניים בעלי אותו שם, כגון אלקנים בלבד.

איזומרים הם תרכובות בעלות הרכב זהה אך מבנה ותכונות שונות.

8.Nucleofוקו ואלקטרופותגובות אישיותהלא. הריאגנטים המעורבים בתגובות החלפה מחולקים לנוקלאופיליים ולאלקטרופיליים. ריאגנטים נוקלאופיליים, או נוקלאופילים, מספקים את זוג האלקטרונים שלהם ליצירת קשר חדש ומחליפים את הקבוצה העוזבת (X) ממולקולת RX עם זוג האלקטרונים שיצרו את הקשר הישן, למשל:

(כאשר R הוא רדיקל אורגני).

נוקלאופילים כוללים יונים בעלי מטען שלילי (Hal -, OH -, CN -, NO 2 -, OR -, RS -, NH 2 -, RCOO - וכו'), מולקולות ניטרליות עם זוג חופשי של אלקטרונים (לדוגמה, H 2 O , NH3, R 3 N, R 2 S, R 3 P, ROH, RCOOH), ואורגנו-מתכתי. תרכובות R - Me עם קשר C - Me + מקוטב מספיק, כלומר, מסוגלות להיות תורמות של R - קרבוניונים. תגובות המערבות נוקלאופילים (תחליף נוקלאופילי) אופייניות בעיקר לתרכובות אליפטיות, למשל הידרוליזה (OH -, H 2 O), אלכוהוליזה (RO -, ROH), אסידוליזה (RCOO -, RCOOH), אמינציה (NH - 2, NH 3 , RNH 2 וכו'), ציאנידציה (CN -) וכו'.

ריאגנטים אלקטרופיליים, או אלקטרופילים, בעת יצירת קשר חדש, משמשים כמקבלים של זוג אלקטרונים ומחליפים את הקבוצה העוזבת בצורה של חלקיק טעון חיובי. אלקטרופילים כוללים יונים טעונים חיובית (לדוגמה, H+, NO 2+), מולקולות ניטרליות עם מחסור באלקטרון, למשל SO 3, ומולקולות מקוטבות מאוד (CH 3 COO - Br + וכו'), והקיטוב מושג ביעילות במיוחד על ידי קומפלקס עם מקדמים לואיס (Hal + - Hal - A, R + - Cl - A, RCO + - Cl - A, כאשר A = A1C1 3, SbCl 5, BF 3 וכו'). תגובות המערבות אלקטרופילים (החלפה אלקטרופילית) כוללות את התגובות החשובות ביותר של פחמימנים ארומטיים (לדוגמה, ניטרציה, הלוגנציה, סולפונציה, תגובת Friedel-Crafts):

(E + = Hal +, NO + 2, RCO +, R + וכו')

במערכות מסוימות מבוצעות תגובות הכוללות נוקלאופילים בסדרה הארומטית, ותגובות המעורבות באלקטרופילים - בסדרה האליפטית (לרוב בסדרת התרכובות האורגנומיות-מתכתיות).

53. אינטראקציה של תרכובות אוקסו עם תרכובות אורגנו-מתכתיות (קטון או אלדהיד בתוספת אורגנו-מתכתי)

התגובות נמצאות בשימוש נרחב לייצור אלכוהולים.כאשר מוסיפים ריאגנט של Grignard (R-MgX) לפורמלדהיד, נוצר אלכוהול ראשוני, אלדהידים משניים נוצרים על ידי אלדהידים אחרים, ואלכוהול טריטיארי נוצר על ידי קטונים

הכלאה של JSC- זהו היישור של ערכיות AOs בצורה ואנרגיה במהלך יצירת קשר כימי.

1. רק אותם AOs שהאנרגיות שלהם קרובות מספיק (לדוגמה, אורביטלים 2s ו-2p-אטומיים) יכולים להשתתף בהכלאה.

2. AOs פנויים (חינם), אורביטלים עם אלקטרונים לא מזווגים וזוגות אלקטרונים בודדים יכולים להשתתף בהכלאה.

3. כתוצאה מהכלאה, מופיעים אורביטלים היברידיים חדשים, המכוונים בחלל בצורה כזו שלאחר שהם חופפים לאורביטלים של אטומים אחרים, זוגות האלקטרונים רחוקים זה מזה ככל האפשר. מצב זה של המולקולה תואם למינימום האנרגיה עקב הדחייה המקסימלית של אלקטרונים טעונים דומים.

4. סוג ההכלאה (מספר AOs שעובר הכלאה) נקבע לפי מספר האטומים ש"תוקפים" אטום נתון ומספר זוגות האלקטרונים הבודדים באטום נתון.

דוגמא. BF 3. ברגע היווצרות הקשר, מתרחש סידור מחדש של AO של אטום B, ההופך למצב נרגש: B 1s 2 2s 2 2p 1 ® B* 1s 2 2s 1 2p 2 .

חברות מניות היברידיות ממוקמות בזווית של 120 מעלות. למולקולה יש צורה קבועה משולש(שטוח, משולש):

3. sp 3 -הכלאה.סוג זה של הכלאה אופייני לאטומים מהקבוצה הרביעית ( למשל פחמן, סיליקון, גרמניום) במולקולות מסוג EH 4, וכן לאטום C ביהלום, מולקולות אלקנים, לאטום N במולקולת NH 3, NH 4+, אטום O במולקולת H 2 O וכו'.

דוגמה 1. CH 4. ברגע היווצרות הקשר, מתרחש ארגון מחדש של ה-AO של אטום C, אשר נכנס למצב נרגש: C 1s 2 2s 2 2p 2 ® C* 1s 2 2s 1 2p 3.

חברות מניות היברידיות ממוקמות בזווית של 109 כ-28 אינץ'.

דוגמה 2. NH 3 ו-NH 4+.

מבנה אלקטרוני של אטום N: 1s 2 2s 2 2p 3. 3 AOs המכילים אלקטרונים לא מזווגים ו- AO 1 המכיל זוג אלקטרונים בודד עוברים הכלאה. בשל הדחייה החזקה יותר של זוג האלקטרונים הבודד מזוגות האלקטרונים של קשרי s, זווית הקשר במולקולת האמוניה היא 107.3 o (קרוב יותר לטטרהדרלית ולא ישירה).

למולקולה יש צורה של פירמידה טריגונלית:

מושג הכלאה sp 3 מאפשר להסביר את אפשרות היווצרות יון אמוניום ואת השקילות הקשרים בו.

דוגמה 3. H 2 O.

מבנה אלקטרוני של אטום O 1s 2 2s 2 2p 4. 2 AOs המכילים אלקטרונים לא מזווגים ו-2 AOs המכילים זוגות אלקטרונים בודדים עוברים הכלאה. זווית הקשר במולקולת מים היא 104.5 o (גם קרובה יותר לטטרהדרלית ולא ישרה).

למולקולה יש צורה זוויתית:

הרעיון של הכלאה sp 3 מאפשר להסביר את האפשרות של יצירת יון אוקסוניום (הידרוניום) ויצירת 4 קשרי מימן על ידי כל מולקולה במבנה הקרח.

4. sp 3 d-hybridization.סוג זה של הכלאה אופייני לאטומים של יסודות מקבוצה 5 (החל מ-P) במולקולות מסוג EC 5.

דוגמא. PCl 5. מבנה אלקטרוני של אטום P באדמה ומצבים נרגשים: P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 ® P* 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 3d 1 . צורת מולקולה - משושה (ליתר דיוק - דו-פירמידה טריגונלית):

5. sp 3 d 2 -הכלאה.סוג זה של הכלאה אופייני לאטומים של יסודות מקבוצה 6 (החל מ-S) במולקולות מסוג EC 6.

דוגמא. SF 6. מבנה אלקטרוני של אטום S באדמה ומצבים נרגשים: S 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 ® P* 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 3d 2 .

צורת מולקולה - אוקטהדרון :

6. sp 3 d 3 הכלאה.סוג זה של הכלאה אופייני לאטומים של יסודות קבוצה 7 (החל מ-Cl) במולקולות מסוג EC 7.

דוגמא. אם 7. מבנה אלקטרוני של אטום F באדמה ומצבים נרגשים: I 5s 2 3p 5 ® I* 5s 1 3p 3 3d 3 . צורת מולקולה - דקהדרון (ליתר דיוק - דו-פירמידה מחומשת):

7. sp 3 d 4 הכלאה.סוג זה של הכלאה אופייני לאטומים של יסודות קבוצה 8 (למעט He ו-Ne) במולקולות מסוג EC 8.

דוגמא. XeF 8. מבנה אלקטרוני של אטום Xe באדמה ומצבים נרגשים: Xe 5s 2 3p 6 ® Xe* 5s 1 3p 3 3d 4.

צורת מולקולה - דודקהדרון:

יתכנו סוגים אחרים של הכלאה של AO.