blank

Принцип запрета Паули. Молекулярные орбитали. Гибридизация

Мы продолжаем с вами рассматривать квантовою механику в рамках изучения курса органической химии при подготовке к ЕГЭ по химии. В прошлой статье нами были рассмотрены атомные орбитали, а сегодня приступим к изучению принципа Паули и узнаем, что такое молекулярные орбитали.

Электронная конфигурация и принцип запрета Паули

В химии есть определенные правила, которые определяют электронную конфигурацию атома. К этим правилам относится и принцип запрета Паули которое гласит, что определенную электронную орбиталь могут занимать только два электрона и только при условвии, что они обладают противоположными спинами. Мы называем такие электроны спаренными. Если же электроны имеют сонаправленные спины (в одном направлении), то они напротив стремятся удалиться друг от друга на максимально возможное расстояние. Эта тенденция очень важная и определяет формы и свойства молекул.

blank

Электронные орбитали заполняются поочередно, то есть сначала заполняются последовательно орбитали с низшей энергией. Пара электронов не занимает орбитали до тех пор, пока орбитали равной энергии не будут заняты каждая одним электроном.

Молекулярные орбитали

В молекулах действует практически тот же принцип размещения электронов, что и в отдельно взятом атоме. Распределение электронов и ядер в молекуле подчиняется законам обычного распределения.

Для упрощения расчетов и понимания их при распределении электронов есть два постулата:

  1. Каждая пара электронов расположена в большинстве случаев около двух ядер
  2. Форма этих орбиталей и их расположение относительно друг друга связаны простой зависимостью с формой и расположением атомных орбиталей их составляющих.

Давайте теперь рассмотрим с вами процесс образования молекул. Мы уже знаем и помним, что такое ковалентная связь и что именно она характерна для органических соединений. Для образования этой связи требуется, чтобы орбиталь одного атома перекрывалась с орбиталью другого атома. Каждая орбиталь обладает одним электроном. И при объединении двух атомных орбиталей происходит образование одной орбитали связи, которая занята двумя общими электронами. Важное условие для образования орбитали связи: электроны должны иметь противоположные спины, то есть должны быть спаренными. Каждый электрон при этом находится на общей орбитали и рассматривается как общий между двумя атомными ядрами.

Подобное расположение электронов и ядер обладает наименьшей энергией, а значит устойчивее, нежели размещение в изолированных атомах. Чем у нас сильнее перекрывание атомных орбиталей, тем прочнее будет связь.  Как же определить прочность ковалентной связи? Увеличение прочности связи определено увеличением электростатического напряжения. У отдельных атомов каждый электрон притягивает одно положительное ядро, а в молекулах электрон притягивает и притягивается уже двумя ядрами.

Давайте рассмотрим с вами наглядный пример – образование молекулы фтора из двух отдельных атомов фтора. Атом фтора имеет два электрона на 1s-орбитали и два электрона на 2s-орбитали плюс по два электрона на каждой из двух 2p-орбиталей. И на третьей 2р-орбитали есть один неспаренный электрон. Который и будет участвовать в образовании связи. Перекрывание такой орбитали с аналогичной орбиталью другого атома приводит к спариванию электронов и образованию ковалентной связи.

А теперь давайте начнем рассматривать уже органические молекулы и их типы связи.

blank

Ковалентная связь: угол связи и гибридные орбитали

Давайте начнем изучение гибридизации связи и угла связи на примере метана.

В данной молекуле углерод имеет неспаренный электрон на каждой из двух 2р-орбитатей. Исходя из этого можно было бы предположить, что у нас будет происходить образование молекулы с двумя атомами водорода и полученное соединение имеет формулу СН2. Не так все просто. В метане углерод соединяется с четырьмя атомами водорода. Тут у нас прослеживается тенденция к образованию максимально возможного числа связей. Такое состояние атома углерода именуется валентным состоянием. Лучше всего такой процесс представить наглядно: допустим у нас один из 2s-электронов перемещается на свободную р-орбиталь. Что мы получим? Четыре неспаренных электрона.

А теперь гибридизируем орбитали. Математически рассчитаны различные комбинации s- орбиталей и р-орбиталей и найдены смешанные (они же гибридные) орбитали, обладающие наибольшей степенью направленности. Чем больше у нас атомная орбиталь сконцентрирована в направлении связи, тем больше перекрывание и тем прочнее связь, образуемая ею. Все математические модели позволили сделать крайне важные выводы:

  1. Гибридная орбиталь обладает значительно более направленным характером по сравнению с s или p-орбиталью.
  2. Четыре лучшие орбитали эквивалентны друг другу.
  3. Указанные орбитали направлены к углам правильного тетраэдра То есть расположены максимально далеко друг от друга. Угол между орбиталями составляет 1, 911 рад.

Такая гибридизация достигается при взаимодействии одной s и двух р-орбиталей и получила название sр3-гибридизации.

У вас явно возник вопрос по поводу угла связи при построении тертраэдра. Для максимального перекрывания sр3-орбиталей углерода и s-орбиталей водородов, четыре ядра водородов должны располагаться на осях sр3-орбиталей. То есть располагаться в углах нашего тетраэдра. Экспериментальные данные подтверждают. Что все связи углерод-водород имеют одинаковую длину, угол между связями тетраэдрический и равен 1, 911 рад

Ковалентные связи могут характеризоваться в том числе углом между связями.  Они также подчиняются принципу запрета Паули, также наблюдается тенденция к максимально возможному удалению неспаренных электронов друг от друга.

Как вы понимаете любая структура молекулы – это результат комбинации сил отталкивания и притяжения, связанных с зарядом и спином электрона. В чем выражаются эти силы и каково их влияние?

Принцип работы сил отталкивания: электроны стремятся к максимальному увеличению расстояния между друг другом, ввиду одинакового значения спина и одинакового заряда. (принцип запрета Паули)

Принцип работы сил притяжения. Электроны притягиваются атомными ядрами друг к другу, так как имеют противоположные заряды и соответственно пытаются занять место между двумя ядрами.

Полярность связей

Для ковалентных связей характерное еще одно важное свойство — полярность. Ядра двух атомов при ковалентном типе связи удерживаются одним общим электронным облаком. Но при этом не стоит полагать, что два ядра обладают одинаково равным числом электронов. Облако неравномерное, плотность может быть у одного ядра больше, а у другого меньше. То есть один конец связи является отрицательным, а другой – положительным. То есть у нас в наличии отрицательный и положительный полюсы. Отсюда и название – полярная ковалентная связь.

Ковалентная связь является полярной в случае различного притягивания электронов связанными атомами. То есть речь идет о электроотрицательности. Чем больше различие в электроотрицательности атома тем больше полярность.

blank

Полярность молекулы

Молекула полярна, если центр отрицательного заряда не совпадает с центром положительного. Такая молекула именуется диполем. Логично, что молекула полярна в том случае если связи в ней полярны. Если мы посмотрим на молекулы хлора, кислорода, водорода, то ту диполь будет равен нулю (два одинаковых атома обладают одинаковой величиной электроотрицательности и в равной степени владеют электронами. У того же метана дипольный момент также равен нулю. У нас тетраэдр, связи равноудалены друг от друга и компенсируют друг друга. Отсюда вывод: дипольный момент также зависит от строения и формы молекулы. Вообще для большинства молекул дипольный момент никогда не измерялся, а полярность молекулы определяют исходя из строения. Полярность связей определяют исходя из электроотрицательности атомов, ну а если известен угол между связями, то полярность можно определить и с учетом неспаренных пар электронов.

blank

Оставить Комментарий