Гибридизация и форма многоатомных молекул — справочник студента

Пространственная структура молекул

Одним из важнейших свойств ковалентной связи является ее направленность. Она определяет пространственную структуру молекул. Если в молекуле имеется больше одной ковалентной связи, то двухэлектронные облака связей вступают во взаимодействие друг с другом.

Представляя собой заряды одного знака, они отталкиваются друг от друга, стремясь занять такое положе-ние в пространстве, когда их взаимное отталкивание будет минимальным.

Если в первом приближении считать отталкивание всех облаков одинаковым, то в зависимости от числа взаимодействующих облаков (связей) наиболее выгодным расположением будет:

•   для 2 облаков – линейное расположение,
•   для 3 облаков – плоский треугольник,
•   для 4 облаков – тетраэдр,
•   для 5 облаков – тригональная бипирамида,
•   для 6 облаков – октаэдр.
•   Это наиболее распространенные геометрические формы многоатомных молекул.

  Углы, образованные линиями связей в многоатомной молекуле, называются валентными углами.

  Часто в образовании связей участвуют различные электроны, например s и p-электроны. Казалось бы, образующиеся связи тоже должны быть неравноценными. Однако опыт показывает, что все связи одинаковы. Теоретическое обоснование этого факта было предложено Слейтером и Полингом, которые ввели понятие гибридизации атомных орбиталей.

Они показали, что при участии в образовании связей нескольких различных орбиталей, незначительно отличающихся по энергии, можно заменить их тем же количеством одинаковых орбиталей, называемых гибридными. При этом орбитали смешиваются и выравниваются по энергии.

Изменяется и первона-чальная форма электронных облаков: гибридные орбитали асимметричны и сильно вытянуты по одну сторону от ядра.

Если гибридизуются две орбитали – s и p – тип гибридизации так и называется: sp-гибридизация. Он реализуется, например, в молекуле BeCl2BeCl_2:

В этом соединении атому бериллия нужно образовать две связи с атомами хлора. Он переходит в возбужденное состояние и его электронная пара, нахо-дящаяся на 2s-орбитали, распаривается:

Орбитали, занятые валентными электронами, гибридизуются по типу sp-гибридизации, в результате чего изменяется их первоначальная форма, они становятся одинаковыми как по форме, так и по энергии, и в таком состоянии

способны образовывать более прочные связи за счет наиболее полного перекрывания с р-орбиталями атомов хлора:

Таким образом, геометрия этой молекулы – линейная, валентный угол связи 180° 180°.

Однако нужно отметить, что для данного соединения употреблять термин «молекула» можно только тогда, когда хлорид бериллия находится в газообразном состоянии.

Рассмотрим пример sp2-гибридизации. При образовании молекулы хлорида бора ВСl3ВСl_3 в результате возбуждения 2s-электронов атома бора три орбитали смешиваются (гибридизируются) с образованием трех одинаковых sp2-гибри-дных орбиталей, которые и образуют три связи с валентными электронами трёх атомов хлора.

  Поскольку три гибридные sp2sp^2-орбитали расположены под углом 120°120° друг к другу в одной плоскости, то образующаяся молекула ВСl3ВСl_3 имеет вид плос-кого равностороннего треугольника с атомом В в центре. Угол между связями составляет 120°120°, все атомы лежат в одной плоскости (рис. 9).

Четыре sp3sp^3-гибридных облака определят тетраэдрическое строение молекулы с валентными углами 109,5º109,5º, например в молекуле метана СН4СН_4 (рис.10).

Существуют и другие виды гибридизации, в частности, с участием d-электронов. Например, sp3dsp^3d-гибридизация приводит к структуре тригональной бипирамиды, а sp3d2sp^3d^2-гибридизация формирует октаэдрическую структуру молекулы.

Источник: https://zftsh.online/articles/745

Методическая разработка урока химии «Гибридизация электронных орбиталей и геометрия молекул»

Американский химик и физик

Биография

1934 Первый шаг в биохимии. Исследует механизм взаимодействия гемоглобина и кислорода.

• 1936 Занимается исследованием антител и структуры белка.
• 1942 Изобретает оксигенометр , совместно с коллегой создаёт искуственную плазму.
• 1949 Начал работу по изучению серповидно-клеточной анемии
• 1954 Получает Нобелевскую премию за работы по теории химической связи.
• 1963 В связи с состоявшимся запрещением испытаний ядерного оружия в атмосфере,
• получает Нобелевскую премию за миротворчество.
• 1970 Издаёт книгу «Витамин С и простуда»
• 1979 Издаёт книгу «Витамин С и рак»
• 1986 Издаёт книгу «Как прожить дольше и чувствовать себя лучше».

Биография

Американский химик Лайнус Карл Полинг родился в Портленде (штат Орегон), в семье Льюси Полинг и Уильяма Полинга, фармацевта. Отец умер, когда его сыну исполнилось 9 лет.

Полинг с детства увлекался наукой. Вначале он собирал насекомых и минералы. В 13-летнем возрасте один из друзей Полинга приобщил его к химии, и будущий ученый начал ставить опыты.

Делал он это дома, а посуду для опытов брал у матери на кухне.

В одиннадцать лет уже работал с цианистым калием.

Полинг посещал Вашингтонскую среднюю школу в Портленде, но не получил аттестата зрелости. Тем не менее он записался в Орегонский государственный сельскохозяйственный колледж в Корваллисе, где изучал главным образом химическую технологию, химию и физику.

Чтобы поддержать материально себя и мать, он подрабатывал мытьем посуды и сортировкой бумаги. Когда Полинг учился на предпоследнем курсе, его как на редкость одаренного студента приняли на работу ассистентом на кафедру количественного анализа.

На последнем курсе он стал ассистентом по химии, механике и материалам. Получив в 1922 г.

1. Структура белков
2. Полинг ввел в научный обиход четыре уровня описания строения молекулы белка:
3. первичная структура – последовательность аминокислотных остатков,
4. вторичная структура – наличие и соотношение характерных фрагментов (таких как a-спираль и b-структура),
5. третичная структура – точная картина пространственного расположения атомов (или хотя бы аминокислотных остатков), задаваемая их пространственными координатами,
6. четвертичная структура – наличие субъединиц (подглобул, из которых формируется молекула белка-глобулина).
7. Эти понятия, сформулированные до того, как появились первые данные полного рентгеноструктурного анализа белков, вскоре получили экспериментальное подтверждение (структура гемоглобина, Перутц, 1960; структура миоглобина, Кендрю, 1960) и поныне составляют основу кристаллографии белка).

Нобелевская премия за работы по теории химической связи

В 1954 г. Полингу была присуждена Нобелевская премия по химии «за исследование природы химической связи и ее применение для определения структуры соединений».

В своей Нобелевской лекции Полинг предсказал, что будущие химики станут «опираться на новую структурную химию, в т. ч.

на точно определенные геометрические взаимоотношения между атомами в молекулах и строгое применение новых структурных принципов, и что благодаря этой технологии будет достигнут значительный прогресс в решении проблем биологии и медицины с помощью химических методов».

В 1945 г. Полинг и Кемпбелл сообщили о создании заменителя плазмы – оксиполижелатина.

Оксигенометр (oximeter). Прибор, используемый для измерения насыщения крови кислородом по ее оптической плотности.

Работа по изучению серповидно-клеточной анемии

В 1949 г. Полинг начал работу по изучению серповидно-клеточной анемии. Название этой наследственной болезни, приводящей к смерти, связано с тем, что эритроциты больного приобретают форму серпа, теряя при этом способность переносить кислород.

Проявив незаурядную интуицию, Полинг предположил, что причина недуга кроется в нарушении аминокислотной последовательности в полипептидной цепи гемоглобина – белка , осуществляющего транспорт кислорода в организме.

Спустя три года Полингу удалось с помощью электрофореза разделить нормальный и дефектный гемоглобин и доказать, что в структуре последнего имеется «опечатка»: один из аминокислотных остатков (остаток глутаминовой кислоты) заменен другим (остатком валина).

Впоследствии было установлено, что в молекуле гемоглобина человека и высших животных в строго определенной последовательности соединены 574 аминокислотных остатка. И вот, как обнаружил Полинг, замена лишь одного из них приводит к тяжкой болезни. В настоящее время известно более 50 разновидностей аномальных гемоглобинов, вызывающих различные патологические состояния.

Нобелевская премия за миротворчество

1957 г. Полинг составил проект воззвания, в котором содержалось требование прекратить ядерные испытания , его подписало более 11 тыс. ученых из 49 стран мира , и среди них свыше 2 тыс. американцев. В январе 1958 г.

Полинг представил этот документ генеральному секретарю ООН. Такая серьезная общественная и личная озабоченность по поводу опасности заражения атмосферы радиоактивными веществами привела к тому, что в 1958 г.

, несмотря на отсутствие какого бы то ни было договора, США, СССР и Великобритания добровольно прекратили испытания ядерного оружия в атмосфере.

В июне 1961 г. Полинг и его жена созвали конференцию в Осло против распространения ядерного оружия.

В сентябре того же года, несмотря на обращения Полинга к Никите Хрущеву, СССР возобновил испытания ядерного оружия в атмосфере. В июле 1963 г.

США, СССР и Великобритания подписали договор о запрещении ядерных испытаний, в основе которого лежал проект Полинга.

В 1963 г. Полинг был награжден Нобелевской премией мира .

В своей вступительной речи от имени Норвежского нобелевского комитета Гуннар Ян заявил, что Полинг «вел непрекращающуюся кампанию не только против испытаний ядерного оружия, не только против распространения этих видов вооружений, не только против самого их использования, но против любых военных действий как средства решения международных конфликтов». В своей Нобелевской лекции, названной «Наука и мир», Полинг выразил надежду на то, что договор о запрещении ядерных испытаний положит «начало серии договоров, которые приведут к созданию нового мира, где возможность войны будет навсегда исключена».

«Витамин С и простуда»

И Полинг начал их собирать. Он нашел пять аккуратно выполненных широкомасштабных медицинских исследований, явно доказывавших, по его мнению, что дозы витамина С, превышающие нормальные, способны снижать частоту и тяжесть простуды. В некоторых из этих исследований пациентам давали немного добавочного витамина С, и эффект был невелик.

В других работах и дозы были больше, и эффект более заметный. Самые большие дозы были в швейцарском эксперименте с лыжниками, где одна половина группы ежедневно получала дополнительно по 1000 мг витамина С, а другая половина — нет.

В получавшей витамин С группе количество человеко-дней простуды оказалось на 61%, а тяжесть простуды — на 65% меньше, чем в контрольной группе. Это скромное исследование убедило Полинга в том, что он на пути к очень важному открытию.

Потребляя больше витамина С, дешевого и безопасного элемента питания, миллионы людей смогут улучшить свое здоровье. Взволнованный Полинг начал писать о своем открытии и статью в научный журнал, и научно-популярную книгу.

«Рак и витамин С»

В 1973 г. Полинг основал Научный медицинский институт Лайнуса Полинга в Пало-Альто. В течение первых двух лет он был его президентом, а затем стал там профессором. Он и его коллеги по институту продолжают проводить исследования терапевтических свойств витаминов, в частности возможности применения витамина С для лечения раковых заболеваний.

В 1979 г. Полинг опубликовал книгу «Рак и витамин С» , в которой утверждает, что прием в значительных дозах витамина С способствует продлению жизни и улучшению состояния больных определенными видами рака. Однако авторитетные исследователи раковых заболеваний не находят его аргументы убедительными.

• Помимо двух Нобелевских премий , Полинг был удостоен многих наград. В их числе:
• награда за достижения в области чистой химии Американского химического общества (1931),
• медаль Дэви Лондонского королевского общества (1947),
• советская правительственная награда – международная Ленинская премия «За укрепление мира между народами» (1971),
• национальная медаль « За научные достижения» Национального научного фонда (1975),
• золотая медаль имени Ломоносова Академии наук СССР (1978),
• премия по химии американской Национальной академии наук (1979)
• и медаль Пристли Американского химического общества (1984).

Ученому присвоены почетные степени Чикагского, Принстонского, Йельского, Оксфордского и Кембриджского университетов. Полинг состоял во многих профессиональных организациях.

Это и американская Национальная академия наук, и Американская академия наук и искусств, а также научные общества или академии Германии, Великобритании, Бельгии, Швейцарии, Японии, Индии, Норвегии, Португалии, Франции, Австрии и СССР.

Он был президентом Американского химического общества (1948) и Тихоокеанского отделения Американской ассоциации содействия развитию науки (1942 – 1945), а также вице-президентом Американского философского общества (1951 – 1954).

• Деятельность
• Как жить долго и быть здоровым
• Аскорбинка по Полингу
• Биография
• Научная сеть Лайнуса Полинга
• Из энциклопедии КМ
• Подробнее

Источник: https://kopilkaurokov.ru/himiya/uroki/mietodichieskaia-razrabotka-uroka-khimii-gibridizatsiia-eliektronnykh-orbitaliei-i-ghieomietriia-moliekul

Понятие о гибридизации атомных орбиталей и его применение для описания конфигурации молекул и ионов. Приведите примеры соединений

Сущность гибридизации атомных орбиталей состоит в том, что электрон молекулы вблизи выделенногибридная орбиталь атомногибридная орбиталь ядра характеризуется не отдельной атомной орбиталью, а линейной комбинацией атомных орбиталей с различным значениями азимутальногибридная орбиталь и магнитногибридная орбиталь квантовых чисел. Такая линейная комбинация называется гибридной (гибридизированной) орбиталью. Как правило, гибридизация затрагивает лишь высшие и близкие по энергии занятые атомные орбитали свободногибридная орбиталь атома. Например, для атомов элементов второгибридная орбиталь периода периодической системы типичная форма гибридной орбитали — линейная комбинация 2s-орбитали и 2р-орбиталей , , с численными коэффициентами.

Гибридные орбитали обладают более низкой симметрией, чем составляющие их атомные орбитали. Так, распределение электронной плотности, отвечающее указанной гибридной орбитали , смещено от атомного ядра в направлении вектора п с координатами ; вектор п является осью симметрии гибридной орбитали (рис. 1). При изменении ориентации в пространстве осей координат коэффициенты линейной комбинации могут изменяться, однако остается постоянным отношение сумм квадратов коэффициентов для данного значения азимутального квантового числа. Это отношение определяет тип гибридной орбитали.

Например, орбиталь относится к типу sapb, где а и b— числа, подобранные так, чтобы . Обычно принимают а — 1, b = 1, 2 или 3.

Как правило, гибридные орбитали данного атома в молекуле относятся к одному типу, который называют типом гибридизации атома.

Так, атом N в молекуле аммиака имеет гибридизацию атомных орбиталей типа sp3, атом С вмолекуле этилена — sp2-гибридизацию, атом С в молекуле ацетилена — sp-гибридизацию.

Это дает основание отождествлять тип гибридизации атома в молекуле с символом его некоей гипотетической электронной конфигурации.

Обычно система гибридных орбиталей строится таким образом, чтобы для разных орбиталей одногибридная орбитальатома интегралы перекрывания были равны нулю.

Например, атом О в молекуле Н2О можно считать как sp2-, так и 5р3-гибридизированным.

Оси симметрии всех орбиталей обычно образуют симметричную фигуру (см. рис. 2). Операции симметрии этой фигуры переводят гибридные орбитали одного атома друг в друга. Такие гибридные орбитали называют эквивалентными.

Например, линейная комбинация четырех валентных атомных орбиталей атома С приводит к четырем 5р3-гибридным орбиталям, оси симметрии которых по отношению друг к другу расположены под углом 109,5°, т.е.

направлены по углам тетраэдра (рис. 2, в).

Рис. 1. Гибридная орбиталь, образованная из 2s- и 2р-атомных орбиталей; х, у, z- координатные оси, п-ось симметрии.

Рис. 2. Система гибридных орбиталей 5р»-типа (1, 2, 3, 4); о, б, в соответствуют п = 1, 2, 3. Оси симметрии негибридизированных атомных орбиталей изображены отрезками. Стрелками указано направление смещения электронной плотности.

Представление о гибридизации атомных орбиталей используется для изучения закономерностей изменения электронной плотности молекулы вблизи какого-либо атомного ядра в зависимости от его окружения, то есть позволяет установить связь между электронным строением молекулы и ее структурой. При этом возможны различные подходы к анализу этой связи. Если известно геометрическое расположение атомных ядер, расчет волновой функции молекулы можно свести к изучению парных взаимодействий соседних атомов.

Отклонение конфигурации молекулы от симметричной связывают с взаимодействием химических связей (напр., с отталкиванием пар электронов, образующих связь). В такой форме представления о гибридизации атомных орбиталей используются в стереохимии.

Понятие о гибридизации атомных орбиталей введено в химию Л. Полингом в 1931.

• 2 Вариант:
• Процесс смешивания разных (s,p,d) орбиталей центрального атома многоатомной молекулы с возникновением того же числа орбиталей, эквивалентных по своим характеристикам
• (Те же самые рисунки)
• Пример: BCl3 – гибрид. sp2

13. Теория отталкивания σ-связывающих и неподелённых электронных пар и её применение для описания геометрической конфигурации молекул и ионов.

1. Молекула всегда будет принимать форму, при которой отталкивании внешних электронных пар минимально.
2. Этой теорией объясняется и предсказывается геометрия молекул.
3. Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Источник: https://zdamsam.ru/a34351.html

Презентация "Гибридизация электронных орбиталей и геометрия молекул" методическая разработка по химии (11 класс) по теме

• Слайд 1
• Слайд 2
• Повторение Определите вид химической связи, составьте электронные формулы образования веществ: NH 3 , Li 3 N, Cl 2 , Na 2 S, H 2 S, Mg. Химическая связь ионная и ковалентная полярная в соединениях соответственно 1) сероводород и фторид серы ( VI) 2) сульфид фосфора ( V) и оксид натрия 3) хлорид рубидия и вода 4) оксид серы ( IV) и кислород В аммиаке и хлориде бария химическая связь соответственно 1) ионная и ковалентная полярная 2) ковалентная полярная и ионная 3) ковалентная неполярная и металлическая 4) ковалентная неполярная и ионная Атомную кристаллическую решётку имеет 1) метан 3) кислород 2) водород 4) кремний
• Слайд 3

учитель Сенкевич Т.А. 2012 год Гибридизация электронных орбиталей и геометрия молекул. 11 класс

5. Какие из приведённых утверждений верны? А. Вещества с молекулярной решёткой имеют низкие температуры плавления и низкую электропроводность. Б. Вещества с атомной решёткой пластичны и обладают высокой электрической проводимостью. 6. Ионы являются структурными частицами 1) Кислорода 3) углекислого газа 2) воды 4) хлорида натрия 7. Вещества, обладающие твёрдостью, тугоплавкостью, хорошей растворимостью в воде, как правило имеют кристаллическую решётку 1) молекулярную 3) атомную 2) ионную 4) металлическую 8. Вещества с атомной кристаллической решёткой 1) Очень твёрдые и тугоплавкие 2) хрупкие и легкоплавкие 3) проводят электрический ток в растворах 4) проводят электрический ток в расплавах. 9. Веществом молекулярного строения является 1) Озон 3) графит 2) оксид бария 4) сульфид калия

Слайд 4

Характеристики ковалентной связи Насыщаемость – образование атомом определённого числа ковалентных связей, поскольку ограниченными являются валентные возможности атомов. Благодаря этому ковалентные соединения имеют строго определённый состав: CH 4 , N 2 , H 2 .

Слайд 5

Характеристики ковалентной связи Поляризуемость ковалентной связи – способность молекул (и отдельных связей в них изменять свою полярность под действием внешнего электрического поля. В результате поляризации неполярные молекулы могут стать полярными, а полярные молекулы – превратиться в ещё более полярные вплоть до полного разрыва отдельных связей с образованием ионов.

Слайд 6

Слайд 7

При выяснении пространственного строения молекулы учитывают: форму орбиталей, принимающих участие в образовании химических связей; электростатическое взаимодействие электронных пар, которое приводит к отталкиванию электронных орбиталей, вследствие чего они занимают в пространстве наиболее удалённые друг от друга места. Если в образовании связей принимают участие одновременно электроны s и p подуровней и если их энергии незначительно отличаются, то образуются гибридные облака.

1. Слайд 8
2. Гибридизация — процесс выравнивания электронных облаков по форме и энергии Основные положения теории гибридизации. Гибридизуются только орбитали центрального атома Степень гибридизации тем больше, чем ближе АО по энергии , и чем больше их геометрическое перекрывание (наибольшее перекрывание – с участием s-АО) Число гибридных орбиталей равно суммарному числу исходных орбиталей Гибридные орбитали более вытянуты в пространстве и обеспечивают более полное перекрывание с АО соседних атомов Гибридные орбитали участвуют в образовании только σ -связей Теория гибридизации объясняет направленность ковалентной связи и геометрическое строение молекул и кристаллов
3. Слайд 9
4. С участием s, p и d-АО известно 11 типов гибридизации. Чаще встречается 4 типа: sp, sp 2 , sp 3 , sp 3 d 2
5. Слайд 10

Определение типа гибридизации на примере молекулы метана. 1.Написать полную структурную формулу вещества. 2.Подсчитать число электронов, предоставляемые центральным атомом. 3.

Подсчитать число электронов, предоставляемые соседними атомами. 4.Подсчитать число электронов, приходящихся на пи -связь. 5.Полученный результат разделить на два. 6.

Если 4 – расположение тетраэдр Если 3 — расположение плоское тригональное Если 2- расположение линейное 0 ————— 2 4 + 4 — 0

• Слайд 11
• sp 3 — гибридизация Алканы
• Слайд 12
• Алмаз – аллотропная модификация углерода Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp 3 гибридизации
• Слайд 13
• sp 2 — гибридизация Алкены
• Слайд 14

Графит – аллотропная модификация углерода. Атомы углерода в молекуле графита находятся в состоянии sp 2 гибридизации.

1. Слайд 15
2. sp- гибридизация Алкины
3. Слайд 16
4. Карбин – аллотропная модификация углерода … — С ≡ С — С ≡ С — … полииновая структура … = С = С = С = … поликумуленовая структура
5. Слайд 17
6. Пространственное строение BF 3 .
7. Слайд 18
8. Пространственное строение BeCl 2 .
9. Слайд 19
10. Пространственное строение молекулы аммиака.
11. Слайд 20
12. Пространственное строение молекулы воды.
13. Слайд 21
14. Зависимость формы молекулы от наличия неподеленных электронных пар 109 ° 28 ’ 10 7 °3’ 10 4 °5’ 1 80 °
15. Слайд 22

Геометрические конфигурации молекул Тип гибридизации Число гибридных орбиталей Число неподеленных электронных пар Тип молекулы Валентный угол Пространственная конфигурация Примеры sp 3 4 0 AB 4 , алканы 109 ° 28 ’ Тетраэдр CH 4 , CCl 4 , SiH 4 , NH 4 + , С (алмаз) 1 : AB 3 107 ° 3 ’ Тригональная пирамида NH 3 , SO 3 2- , NF 3 2 : AB 2 . . 104 ° 5 ’ Угловая H 2 O, XeO 2 sp 2 3 0 AB 3 , алкены 120 ° Плоская треугольная C 2 H 4 , BCl 3 , AlF 3 , C 6 H 6 , O 3 , C (графит) sp 2 0 AB 2 , алкины 180 ° Линейная C 2 H 2 , BeCl 2 , CO 2 , C (карбин)

Слайд 23

Вопросы для закрепления Даны формулы веществ: а) C 2 H 4 ; г) Н 2 О ; ж) С (алмаз); к) C 2 H 2 ; б) CH 4 ; д) BCl 3 ; з) C ( карбин ) ; л) C 6 H 6 ; в) BeH 2 ; е) NH 3 ; и) С (графит); м) SiCl 4 . 1. Выберите формулы веществ, имеющих направленность связей, обусловленную sp 3 — гибридизацией sp 2 — гибридизацией

Слайд 24

3. Анионы PO 4 3- , SO 4 2- , ClO 4 — имеют тетраэдрическое строение. Анионы BO 3 3- , CO 3 2- , NO 3 — имеют форму плоского треугольника. Какой тип гибридизации характерен для центральных атомов данных анионов?

Слайд 25

4. Определите, молекулы каких веществ изображены А) Б) В) Г)

Источник: https://nsportal.ru/shkola/khimiya/library/2013/01/13/prezentatsiya-gibridizatsiya-elektronnykh-orbitaley-i-geometriya