Химическая связь в многоатомных молекулах

Очевидно, что те основные идеи, которые мы с успехом использовали при описании химических связей в двухатомных молекулах (делокализация электронов, полярность связей, зависящая от элсктроотрицательностей партнеров, образование кратных связей), мы вполне можем применить и к многоатомным молекулам. Принципиально новым моментом здесь оказывается взаимное расположение связей, определяющее форму молекул. Нам необходимо понять, почему, например молекула ВеС1₂ линейная, SnCl₉ или Н₂0 — изогнутая, уголковая и почему молекула BF₃ имеет форму плоского треугольника, a NII₃ представляет собой пирамиду (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Формы молекул.

Гибридизация.

Хотя, как мы уже знаем, молекула Ве2 неустойчива, бериллий образует многочисленные и вполне устойчивые соединения с другими элементами. Рассмотрим, например, линейную молекулу ВеС12. Атом бериллия в валентном состоянии способен к образованию двух связей за счет одного sи одного/7-электрона. Очевидно, что при этом должны получиться две разные по длине связи с атомами хлора, так как радиальное распределение этих электронов различно (см. рис. 2.10). Реальная же молекула ВеС12 симметрична и линейна, в ней две связи Be—Cl совершенно одинаковы. Это значит, что они обеспечиваются одинаковыми по своему состоянию электронами, т. е. здесь атом бериллия в валентном состоянии имеет уже не один 5- и один р-электрон, а два электрона, находящихся на орбиталях, образованных «смешением» 5- ир-АО. С позиций квантовой механики эта ситуация отвечает новому набору решений уравнения Шредингера для атома, что вполне правомочно с точки зрения математики^[1]. Для нас важно, чтобы новые смешанные орбитали:

• 1) были эквивалентны друг другу, но энергии и по способности перекрываться с 5-орбиталями водорода;
• 2) давали в итоге линейную молекулу, т. е. были бы вытянуты иод углом 180° друг к другу;
• 3) получались бы из 5- и р-орбиталей бериллия.

Рисунок 3.11, а показывает, что этим требованиям отвечают сумма и разность 5- и р_г-орбиталей атома бериллия (ось z направлена вдоль линии связи Cl—Be—Cl).

Рис. 3.11. Гибридные 5р-орбитали в молекуле ВеС1₂:

а — образование двух sp-орбиталей из одной s- и одной р-орбитали; б — образование связей в молекуле ВеС1₂

Новый набор смешанных орбиталей носит название гибридных орбиталей, а сам прием смешивания — гибридизацией АО. Концепция гибридизации — это удобный описательный прием, который позволяет нам описать эквивалентные, определенным образом направленные связи, объективно существующие в природе.

Смешение одной s- и одной р-орбиталей, как в ВеС1₂, называется sp-гибридизацией. Две гибридные sp-орбитали локализованы вдоль одной прямой по разные стороны от ядра, их протяженность вдоль оси связи, а следовательно, и перекрывание с 5-орбиталями атомов водорода больше, чем у «чистых» р- и 5-орбиталей. Это создает оптимальные условия для образования линейной молекулы СЙВе: С1 с прочными направленными связями.

В принципе, возможна гибридизация 5-орбитали не только с одной (sp), но и с двумя (sp²), тремя (5р³) или нецелым числом (spⁿ, п < 3) р-орбиталей, так же как и гибридизация с участием d-орбиталей. В каждом случае гибридные орбитали имеют определенную направленность, что способствует образованию молекул с определенными углами между связями, или валентными углами. Важнейшие типы гибридизации и форма соответствующих молекул показаны в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Важнейшие типы гибридизации и форма соответствующих молекул.

• [1] Уравнение Шредингера относится к такому типу, для которого можно получить новые наборы решений, комбинируя старые.