Направленность ковалентной связи

Направление ковалентной связиНаправленность ковалентной связи обусловлена определенным пространственным расположением электронных орбиталей взаимодействующих атомов. Так, угол между связями, образованными p-орбиталями атома, должен быть равен примерно 90°. Примером может служить молекула сероводорода H2S (валентный угол составляет 92°).
Однако в большинстве молекул аналогичного с сероводородом состава AB2 (CO2, H2O, BeCl2) валентные углы значительно отличаются от прямого и составляют величину от 104,5° в молекулах H2O до 180° в молекулах CO2 и BeCl2.

Для предсказания величин валентных углов и, следовательно, геометрического строения молекул целесообразно использовать теорию гибридизации атомных орбиталей, разработанную американским ученым Лайнусом Полингом.

Гибридизация — воображаемый процесс выравнивания (усреднения) атомных орбиталей по энергии и форме. В результате гибридизации из разных исходных орбиталей («чистых») образуются гибридные орбитали, одинаковые по форме и энергии, но отличающиеся от исходных меньшей симметрией.
Благодаря наличию области с повышенной электронной плотностью гибридные орбитали полнее перекрываются с орбиталями других атомов, в результате чего образуются более прочные химические связи. При этом всегда имеет место s-перекрывание (s-связь).

В зависимости от формы исходных орбиталей различают несколько видов гибридизации, которые обусловливают валентные углы и геометрическую форму молекул. Рассмотрим важнейшие из них.

sp-гибридизация (линейная) означает, что в процессе участвуют 2 исходных орбитали: одна s и одна p. При этом образуются 2 sp-гибридные орбитали.

sp-гибридные орбитали отталкиваются друг от друга участками с повышенной электронной плотностью и в результате ориентируются в пространстве вдоль прямой. Вследствие этого валентный угол между связями, образованными двумя sp-гибридными орбиталями какого-либо атома, равен 180°.

В молекулах BeH2, BeCl2, BeF2 имеются только s-связи.

В молекуле CO2 атом углерода также находится в состоянии sp-гибридизации. Атом углерода образует с двумя атомами кислорода две s-связи за счет перекрывания sp-гибридных орбиталей, и две p-связи путем перекрывания негибридных p-орбиталей. Так образуются кратные (двойные) связи в молекуле углекислого газа.

В молекуле ацетилена (C2H2) и его гомологов между атомами углерода тройная связь. Каждый атом углерода имеет две sp-гибридные орбитали и две негибридные p-орбитали. Гибридные орбитали образуют две s-связи, перекрываясь с s-орбиталью атома водорода и sp-гибридной орбиталью соседнего атома углерода. Две негибридные p-орбитали каждого атома углерода в результате бокового перекрывания образуют 2 p-связи, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях.

sp2-гибридизация (плоско-тригональная) означает, что в процессе участвуют 3 исходных орбитали: одна s и две p. При этом образуются 3 sp2-гибридные орбитали:

Оси трех sp2-гибридных (смешанных) орбиталей в атоме располагаются в одной плоскости под углом 120°, т.е. участки орбиталей с повышенной электронной плотностью направлены к вершинам равностороннего треугольника. Таким образом, молекулы (или ионы), центральный атом которых находится в состоянии sp2-гибридизации и образует 3 s-связи, плоские, причем валентные углы равны 120°.

sp2-гибридизация характерна также для углерода в кристаллической решетке графита.

Примером молекулы с sp2-гибридизацией электронных орбиталей центрального атома и кратными (двойными) связями могут служить этилен и его гомологи. Три гибридных орбитали атома углерода образуют 3 s-связи: одну — с соседним атомом углерода, а две другие — с атомами водорода. Негибридные p-орбитали атомов углерода образуют p-связь в результате бокового перекрывания над плоскостью атомных ядер и под ней.

sp3-гибридизация (тетраэдрическая) означает, что в процессе участвуют 4 исходных орбитали: одна s и три p. При этом образуются 4 sp3-гибридные орбитали, которые отталкиваются друг от друга, ориентируясь в пространстве под углом 109°28' к вершинам правильной тригональной пирамиды — тетраэдра.

Тетраэдрическая форма частиц (молекул, ионов) широко распространена в природе. Это все соединения четырехвалентного углерода, в которых нет кратных связей: метан и его гомологи, галогенпроизводные алканов (например, CCl4, CF4, CCl2F2, CHCl3 и т.д.); многие оксоанионы, т.е. анионы кислородсодержащих кислот (SO42–, PO43–, SiO44–, ClO4–, MnO4–, CrO42–); катион аммония NH4+, а также аммиачные комплексы катионов многих металлов, например, [Cu(NH3)4]2+. Условно их состав можно обозначить AB4, где A — центральный атом в состоянии sp3-гибридизации, B — окружающие его частицы.

Есть молекулы, в которых центральный атом окружен не четырьмя, а всего тремя (NH3) или даже двумя (H2O) атомами, однако валентный угол приближается к тетраэдрическому. Поэтому предполагают, что и в этом случае имеет место sp3-гибридизация, но одна из гибридных орбиталей в молекуле аммиака и две в молекуле воды не образуют химической связи, их занимают неподеленные электронные пары.