На всякий случай предупреждаю: кто не знает, как написать электронное строение атома - добро пожаловать в первую и вторую часть этого урока. Если кому-то нужна именно органика - вам в четвертую часть.
Еще предупреждение: то, что я пишу далее - это поможет вам решать задания в 9-11 классах и получать 5 на контрольных. Однако с точки зрения человека, глубоко знающего химию, это все-таки бред. Поэтому попрошу знающих людей не писать, что я распространяю антинауку - сначала почитайте, что пишут в школьных учебниках по химии. А школьников попрошу относиться к этой теме как и ко всей химии - воспринимать с интересом, но так же и с долей скептицизма и пониманием, что, как и множество других тем в школьной химии и физике, эта - донельзя упрощена, и в реальности все "нюансы", "исключения" и "нелогичности" - отсутствуют, и появились только благодаря корявым упрощениям. Кто хочет полную картину - добро пожаловать в теорию кристаллического поля, метод молекулярных обриталей, квантовую и координационную химию)
Итак, гибридизация - это когда разные электронные s, p, d, f орбитали смешиваются и образуют нечто среднее, так сказать "гибрид" - компромис между исходными формами орбиталей.
Как мы помним из прошлого занятия, форма s-орбитали - сфера, форма p-орбитали - объемная восьмерка. Про d-орбитали не думайте. К счастью, в школах их пока в гибридизации не включают. Сколько же всего орбиталей может смешаться? Как понять, смешались две орбитали или десять? И какая форма будет в итоге? Как выглядит что-то среднее между объемной восьмеркой и сферой?
Воспоминаем понятие "спаренные" электроны. Если электроны спарены - они относительно спокойны) А вот неспаренные - ищут приключений, в том числе рассматривают гибридизацию как возможный вариант веселого вечера пятницы. А теперь время проверить, как вы усвоили прошлый урок: сколько максимально может быть неспаренных электронов на s и на p подуровнях?
Кто забыл - рисуйте себе эти подуровни. S - это условно одна клеточка, p - это условно три клеточки. Вспоминайте, сколько на них максимум электронов. И что сначала мы заполняем в каждую "клеточку" по одному электрону, и только потом их спариваем. Итог: на s-подуровне максимум 1 неспаренный электрон, на p - 3. То есть если не брать в расчет d-орбитали, а мы договорились про них забыть, максимум у вас могут смешаться 3 р орбитали и 1 s. Меньше тоже могут, а больше - неть.
Ну и пропишите себе все варианты: у нас могут быть 1s+3p, 1s+2p, 1s+1p. Собственно, это и есть те самые, преследующие вас в кошмарах после уроков химии sp3, sp2 и sp гибридизации. Давайте посмотрим, как они выглядят:
Эту табличку нужно сохранить, мы к ней будем возвращаться снова и снова.
Чтобы гибридизовать орбитали, атомы переходят в возбужденное состояние. То есть атому сообщают дополнительную энергию: его могли нагреть, на него могли посветить. И в результате его спаренные электроны решили "распариться" - перейти на более высокие орбитали. То есть электрон с s может скакнуть на p. И вот как правило с этими электронами, перешедшими на более высокие по энергии подуровни, мы и будем работать. Примеры:
ZnCl2
Запишите электронное строение обоих атомов.
Что мы видим: у хлора есть неспаренные атомы, а у цинка - нет. То есть хлор может отдать свой пятый p-электрон на образование связи, а цинку некого отдать. Но задание то есть) И скоро сдавать листочки. Что делаем в таком случае? Правильно, вспоминаем, что чтобы гибридизовать, атом цинка надо возбудить. У цинка имеется свободная 4р орбиталь (а если надо, то и 4d найдется), где никого нет. Туда и направится один из его s-электронов. Получим вот такую картину:
Получился 1 s электрон и 1 р электрон. Гибридизация - sp.
Если у атома хлора не хватает одного электрона до завершения его р-подуровня, сколько электронов от цинка ему надо? Каждый из хлоров растащит себе по одному электрону от цинка. Давайте проиллюстрирую.
Из таблички, которую надо тупо выучить, мы знаем, что sp - это плоский рисунок, где под углом 180 градусов расположены две гибридные орбитали. Давайте нарисуем:
Всеее) Вроде несложно?)
На всякий случай, пропишем алгоритм:
1. Нарисовать электронное строение атомов в молекуле.
2. Для центрального атома написать возбужденное состояние.
3. Считаем, сколько в итоге получилось неспаренных электронов на s и на p подуровнях - это ваша гибридизация*.
4. Смотрим в табличку, как эта гибридизация выглядит, и рисуем ее!
Давайте еще пример.
Н2О*
Как вы поняли, в пункте 3 есть нюанс) Сейчас его разберем на примере молекулы воды. Пишем как всегда строение атомов:
Теперь возбуждаем атом кислорода: при этом у нас р-орбиталь уже не свободна. То есть в отличие от прошлого примера, мы не в чистое поле s-электрон выпускаем. Мы его засовываем на вполне людную р-орбиталь, и чтобы там уместиться, ему приходится спариться с одним из р-электронов:
То есть с точки зрения логики получилась ерунда какая-то: были два неспаренных электрона, и остались они же. Мы просто электронную пару передвинули на другой подуровень. Так ведь кажется? Но в рамках наших школьных объяснений будем считать, что так надо)
А теперь что у нас получилось: 1s-электрон, 1р-электрон. Казалось бы: sр гибридизация? Но нет) Электронные пары тоже считаем. А у нас их две пары, обе на р-подуровне. Каждая пара считается за "один". То есть получается не 1р, а 3р. И того sp3. Вот это и был нюанс.
На один кислород у нас не хватает двух электронов, по одному их можно получить у двух водородов. Давайте нарисуем:
Каждый из водородов - это просто s-орбиталь, то есть просто сфера. А электронные пары обозначают двумя точками. Ну а sp3, как мы видим из таблички выше - это четыре гибридные орбитали, расположенные в пространстве так, чтобы попадать в вершины пирамиды:
Как вы заметили, во-первых, художник я так себе. А во-вторых, в случае цинка я нарисовала хлоры только символами, и их орбитали рисовать не стала. А в случае воды водороды нарисованы как сферические орбитали их 1s-электронов. Почему так? Потому что я вам не рекомендую рисовать орбитали кого-то еще кроме водорода. Как правило, этого не требуют в задании. И не надо.
Ибо правильно вы этого не сделаете. Почему?) Потому что более сложные атомы, типа хлора или азота - часто сами имеют какую-то гибридизацию. А иногда не имеют. А иногда, как в ионе PО4 (-3) часть кислородов имеет гибридизацию, а часть - нет. Ну и не будем забывать, что вообще-то мы рисуем для любых атомов их электронное строение не учитывая их степень окисления, а для ионов - не учитывая их заряд.
BF3
Как обычно, пишем строение:
И у вас вероятно уже возник вопрос: а нафиг мы пишем строение нецентрального атома? Ну того, который мы не гибридизуем? Я ж сама сказала, что если это не водород - пишите его символами, и в его гибридизации не лезьте.
Все верно, не зачем. Для профилактики) На самом деле мне кажется, что так лучше видно общую картину: кто вообще взаимодействует и как. Но это необязательно, тем более что работает вообще не всегда. Например, с хлорами и водородами до этого было видно, как они образуют связи с центральным атомом и почему: потому что они если взять центральный атом и все нецентральные, то как раз получится завершить электронные уровни. Ну или хотя бы спарить электроны. Так что если вам очень лень - оставьте строение только центрального атома)
Возбужденное:
Что тут: никаких пар, естть один электрон на s (то есть 1s) и два электрона на р (то есть 2р). Получаем sp2.
Видим, что бор может отдать по одному из своих электронов трем фторам, и в результате у фтора будет завершен электронный уровень:
Ну и давайте нарисуем гибридизацию: по табличке это плоский рисунок, гибридные орбитали попадают в вершины равностороннего треугольника:
PO4 (3-)
Вы знаете, что надо делать: рисуем электронное строение центрального атома.
Как вы понимаете, я вовремя начала опускать строение нецентрального атома. Потому что пошли ионы, а мы с вами не учитываем ни их заряд, ни степень окисления элементов. В результате нам строение нецентрального атома ничего полезного не даст, только запутает.
Давайте сделаем фосфор возбужденным:
Что получили: 1 электрон с s-подуровня и 2 электрона с р-подуровня распарены, то есть участвуют в гибридизации. Еще есть электронная пара, которая образовалась в результате распаривания. Считаем ее за еще 1 р. Получаем 3 р и 1 s = sp3 гибридизация.
Мы знаем, что формула PO4 (-3) - вот и рисуем 4 кислорода на этом фосфоре.
Естественно, я сразу нарисовала их в форме пирамидки, потому что знаю, что именно так выглядит sp3. Добавляем гибридные орбитали:
Как мне кажется, базу я объяснила. Теперь давайте просто потренируемся:
BH3
Мы уже разбирали BF3, но все же. Зачем это делаем: во-первых, чтобы вы потренировались. Например, не подглядывая в записи по BF3, получится ли тут нарисовать все правильно? Во-вторых потому, что часто учителя объясняют на примерах с водородом (BH3, BeH2), а на контрольной вы получаете BCl3 и BeCl2. С точки зрения учителя - это вам подарок, молекулы то по сути одинаковые, один и тот же центральный атом, все то же самое!
Но по опыту я знаю, что если заранее не отработать эти моменты, то сходства можно не увидеть, а проблему в решении и грядущую двойку - увидеть с поразительной четкостью. Поэтому решаем.
Основное для бора:
Возбужденное для бора:
Видим 1s и 2р электронов. Получаем sp2. Знаем, что это плоский рисунок, вписанный в треугольник. Помним, что водороды можно рисовать сферами:
PH3
Рисуем фосфор:
Теперь в возбужденном состоянии:
1 электрон с s-подуровня и 2 электрона с р-подуровня распарены, то есть участвуют в гибридизации. Еще есть электронная пара, которая образовалась в результате распаривания. Считаем ее за еще 1 р. Получаем 3 р и 1 s = sp3 гибридизация
Я думаю, вы заметили, что обе картинки с электронным строением и описание гибридизации я просто скопировала из объяснений про PO4(3-)? Надеюсь, все осознали, как просто эти задания делать
Отлично, по гибридизациям в неорганике все. Следующий урок - органика.
Кто хочет со мной позаниматься - пишите в тг @Ana_Snegilina