Гибридизация атомных орбиталей урок. Геометрия молекул. Понятие о теории гибридизации. Ковалентные связи углерода

Данный урок разработан для учащихся 10 класса естественно-математического профиля.”.

Цели занятия:

Показать зависимость геометрии молекул от типа гибридизации электронных орбиталей, а свойств веществ от геометрии молекул.

Оборудование: ПК, мультимедиапроектор, экран, электронная презентация. Шаростержневые модели молекул метана, пентана, графита, алмаза, этилена, ацетилена, модели молекул изготовленные из воздушных шариков, геометрические модели тетраэдра и треугольной пирамиды. Демонстрационная таблица “Аллотропные модификации углерода”, фотографии с изображением молекул и кристаллов, сообщения учащихся, портрет Л.Полинга.

План занятия

III.

sp 3 __ гибридизацией;

sp 2 __ гибридизацией;

sp – гибридизацией.

Задание к уроку: повторить гибридизацию электронных орбиталей атома углерода, свойства химической связи. 1 ученик готовит электронную презентацию “Жизнь и деятельность Л.Полинга”.

Оформление доски

Ход занятия

I. Организационный момент . Слайд №1.

II. Беседа по домашнему заданию (6 мин). Слайд №2, формулы веществ на доске.

Какие свойства ковалентной связи мы изучили на прошлом уроке? (длина, Е, прочность, насыщаемость)

Что такое длина связи и от чего она зависит? (от размера атома и кратности связи)

Что такое энергия связи и от чего она зависит? (количество энергии, необходимой для разрыва связи; зависит от прочности связи)

Что такое прочность связи и от чего она зависит? (от того, какая связь - ?, или?, и какие облака перекрываются - гибридные или негибридные)

Как взаимосвязаны свойства ковалентной связи? (чем больше длина, тем меньше прочность и энергия)

Как изменяется длина связи в молекулах галогеноводородов (см. на доске – 1-й столбец) и почему? (увеличивается, т.к. увеличивается размер атома)

Какое из данных соединений (на доске) самое прочное? (HF)

При растворении галогеноводородов в воде образуются кислоты. Какая из данных кислот будет самой сильной и почему? (HJ, т.к. кислотность – это способность отдавать Н + , самая непрочная связь у HJ)

Какая из кислот будет самой слабой? (HF – плавиковая кислота, растворяет стекло)
Учитель: Свойства вещества зависят от размера атомов, их образующих.

Как изменяется прочность связи в ряду углеводородов (см. на доске – 2-й столбец) и от чего она зависит? (сверху вниз прочность связи увеличивается, т.к. увеличивается кратность и уменьшается длина)

Каким образом это влияет на свойства данных веществ? (для алканов, имеющих только сигма-связи, характерны реакции замещения, для алкенов, имеющих сигма и пи-связи – присоединения, а для алкинов – реакции присоединения и реакции замещения атомов водорода при тройной связи)

На примере молекул простых веществ хлор, кислород, азот (см. на доске – 3-й столбец) объясните, как строение их молекул влияет на их свойства. (хлор в свободном виде не встречается – связь одинарная, кислорода в воздухе 21% – двойная связь, азота в воздухе 78%, инертное вещество – тройная связь)
Учитель : Свойства органических и неорганических веществ зависят от кратности связи.

Как насыщаемость связей влияет на свойства веществ (см. на доске – 4-й столбец) (метан не имеет ненасыщенных связей, аммиак и вода имеют ненасыщенные связи, поэтому являются диполями).
Учител ь: Свойства веществ зависят от свойств ковалентной связи.

II. Изучение новой темы

Приложение № 1 )

Влияние законов природы и особенностей строения молекул на порядок и красоту окружающего мира

Слайды №№ 3-20

Сущность гибридизации электронных орбиталей, ее механизм.

Беседа. Что такое гибридизация, что ей предшествует, чему она способствует, почему идет выигрыш в энергии? С какими типами гибридизации атома углерода мы познакомились в 10 классе?

Демонстрация механизма гибридизации.

Слайды №№ 21-24

Вывод. Для объяснения геометрии молекул используется понятие гибридизации. При гибридизации гибридные облака располагаются в пространстве таким образом, чтобы энергия их взаимодействия была минимальной. Определяющими в геометрии молекулы являются?-связи.

Слайд № 24

Из истории вопроса. Полинг Л. – великий химик ХХ столетия, его заслуги в изучении и описании структур молекул.

Демонстрация презентации “Жизнь и деятельность Л.Полинга” (домашнее задание)

Вывод . Мы должны гордиться тем, что замечательные ученые-химики с мировым именем. Это Ломоносов М.В.– ученый-энциклопедист, Менделеев Д.И.–создатель Периодического закона, Бородин А.П.–химик и композитор, Бутлеров А.М.–создатель теории строения органических соединений, Лебедев С.В.–создатель 1 искусственного каучука в России и многие другие, которые внесли большой вклад в развитие химической науки. Но мы также с большим уважением должны относиться к ученым других стран и среди них – Лайнус Полинг, который является ученым с мировым именем, и знать о нем должен каждый образованный человек.

Геометрия молекул органических и неорганических веществ, обусловленная:

sp 3 __ гибридизацией;

sp 2 __ гибридизацией;

sp – гибридизацией.

Эвристическая беседа. На примере строения молекул органических веществ (углеводородов) и неорганических веществ (соединений кремния, азота, кислорода, бора, бериллия; аллотропных модификаций углерода), учитель показывает универсальность понятия “гибридизация” и зависимость геометрии молекул от гибридизации, а свойств веществ от геометрии молекул. Учащиеся в ходе беседы знакомятся с геометрией молекул неорганических веществ и влиянием на их свойства неподеленных электронных пар.

Слайды №№ 25-36.

Закрепление

Беседа. Обобщение знаний по теме. Заполнение таблицы.

Слайд № 37.

Фронтальная беседа по вопросам.

Слайды №№ 38-41.

Подведение итогов урока

Мир молекул прекрасен и удивителен. Свойства веществ зависят от особенностей строения молекул. И может быть, когда-нибудь, глядя на падающие снежинки или снежный узор на стекле, или бриллиант на руке, вы вспомните этот урок, нашу школу и поймете, что мы учителя делали все для того, чтобы зародить в ваших душах чувства прекрасного. И мне очень хочется, чтобы вы эти чувства сохранили и передали своим детям. Для нас, учителей, это будет самой лучшей наградой

Слайд №42.

IV. Домашнее задание : §3.3 записи в тетради

Приложение № 1

3. Изучение новой темы.

Нам осталось рассмотреть еще одно свойство ковалентной связи – направленность. Именно это свойство ковалентной связи определяет геометрию молекулы, т.е. расположение сигма-связей в пространстве. Для объяснения направленности ковалентной связи в многоатомных молекулах, используется модель гибридизации электронных орбиталей, предложенная Л. Полингом в 1931 году.

Тема урока : Гибридизация электронных орбиталей. Геометрия молекул .

Цели урока:

Раскрыть универсальный характер процесса гибридизации для органических, сложных неорганических веществ и аллотропных модификаций углерода.

Показать зависимость геометрии молекул от типа гибридизации электронных орбиталей, а свойства веществ от геометрии молекул.

Обратить внимание учащихся на влияние фундаментальных законов природы и особенностей строения молекул на существующий порядок и красоту в мире.

План урока:

Сущность гибридизации электронных орбиталей, ее механизм.

Из истории вопроса. Полинг Л. – великий химик ХХ столетия, его заслуги в изучении и описании структур молекул.

Геометрия молекул органических и неорганических веществ, обусловленная:

1. sp 3 __ гибридизацией;

   sp 2 __ гибридизацией;

   sp – гибридизацией.

Введение в тему : Прежде, чем мы приступим к изучению первого вопроса плана, мне хотелось бы обратить внимание на эпиграф урока : «Сведение множества к единому – в этом первооснова красоты». Это высказывание великого древнегреческого философа и математика Пифагора. В чем же смысл этого выражения? Мир прекрасен и удивителен и образовался он в результате совместного действия множества фундаментальных законов природы, таких как закон сохранения массы и энергии, закон минимума энергии, закон всемирного тяготения, закон действия естественного отбора, законов симметрии и других законов (Слайд № 4) .Когда мы видим проявление симметрии в телах живой природы, невольно испытываем чувство удовлетворения тем всеобщим порядком, который царит в природе (Слайды №№4-6). Даже то, что они производят, имеет определенную, правильную структуру (Слайд № 7) .

А раковины простейших организмов красивы не только для красоты, а это есть результат действия законов всемирного тяготения и законов действия естественного отбора – это приспособления к водной среде обитания (Слайд № 8). Даже такие грозные организмы как вирусы – переходная форма между неживым и живым, имеют особую правильность в строении, и, изучив эти особенности, можно найти способы борьбы с ними (Слайд № 9). И в телах неживой природы, в кристаллах, мы видим строгий порядок в их структурах (Слайд № №10-12). Но за этой упорядоченностью стоит более глубокий порядок – порядок в молекулах и атомах, которыми образованы эти тела. Скорее всего, структура снежинок не была бы такой совершенной, если бы молекула воды не обладала бы определенной симметрией (Слайд № 13), и не соединялась бы водородными связями в кристаллах льда в виде шестиугольников (Слайд № 14). А алмазу не приписывались бы сверхъестественные свойства (Слайд № 15), и древние воины не носили бы его около сердца, и не был бы он самым твердым природным веществом, если бы атомы углерода, его образующие, не имели потрясающую правильность расположения в пространстве. Мы видим порядок и красоту в самых разнообразных молекулах: (Слайд № 16) и в молекуле хлорофилла, без которой не возможен такой важный процесс как фотосинтез, (Слайд № 17) и в молекуле белка, вторичная структура которой построена по принципу комплементарности и поддерживается водородными связями. (Слайд № 18) А также и в молекуле стеариновой кислоты, нерастворимость которой определяется большим углеводородным радикалом , (Слайд № 19) и в молекуле ДНК – носительнице наследственной информации о структуре клетки, и в молекуле гемоглобина, который выполняет дыхательную функцию во многих живых организмах.

Таким образом, можно сделать вывод: (Слайд № 20) весь порядок и красота в мире зависят от особенностей строения молекул, от их геометрии. Вот в этом удивительном и прекрасном мире молекул я и приглашаю вас

Вариант 1

sp 2

1. C 2 H 4 , CH 4 , C 3 H 6 ;

   C 2 H 4 , BCl 3 , C 6 H 6 ;

   BH 3 , CH 4 , BeCl 2 ;

   NH 3 , SiH 4 , H 2 O.

Молекула какого вещества имеет линейную формулу?

1. BeCl 2 ;

   BCl 3 ;

   C (графит);

   С (алмаз).

Электронные орбитали под углом 109°28’ располагаются в молекуле

1. С (карбин);

   C 2 H 2 ;

   С (алмаз);

   C 2 H 4 .

Плоскую треугольную форму молекулы имеет

1. C 2 H 2 ;

   BCl 3 ;

   CH 4 ;

   NH 3 .

Длина одинарной С-С связи в алканах равна

1. 0,134 нм;

   0,154 нм;

   0,120 нм;

   0,140 нм.

Фосфат-анион имеет тетраэдрическое строение. Какой тип гибридизации характерен для центрального атома аниона?

1. sp;

   sp 2 d;

   sp 2 ;

   sp 3 .

«Гибридизация электронных орбиталей и геометрия молекул»

Вариант 2

Выберите формулы соединений, имеющих сходную направленность, обусловленную sp 3 -гибридизацией электронных орбиталей:

1. C 2 H 4 , CH 4 , C 3 H 6 ;

   C 2 H 4 , BCl 3 , C 6 H 6 ;

   BH 3 , CH 4 , BeCl 2 ;

   NH 3 , SiH 4 , H 2 O.

Молекула какого вещества имеет тетраэдрическую формулу?

1. BeCl 2 ;

   BCl 3 ;

   C (графит);

   С (алмаз).

Электронные орбитали под углом 180° располагаются в молекуле

С (карбин);

C 2 H 2 ;

С (алмаз);

C 2 H 4 .

Линейную форму молекулы имеет

1. 1. C 2 H 2 ;

      BCl 3 ;

      CH 4 ;

      NH 3 .

Длина одинарной С-С связи в молекуле бензола равна

0,134 нм;

0,154 нм;

0,120 нм;

0,140 нм.

Нитрат-анион имеет форму плоского треугольника. Какой тип гибридизации характерен для центрального атома аниона?

sp;

sp 2 d;

sp 2 ;

sp 3 .

Установите соответствие между формулами веществ и типами гибридизации их центрального атома.

Продолжение. Начало см. в № 15, 16/2004

Урок 5. Гибридизация
атомных орбиталей углерода

Ковалентная химическая связь образуется при помощи общих связывающих электронных пар по типу:

Образовывать химическую связь, т.е. создавать общую электронную пару с «чужим» электроном от другого атома, могут только неспаренные электроны. Неспаренные электроны при записи электронных формул находятся по одному в клетке-орбитали.
Атомная орбиталь – это функция, которая описывает плотность электронного облака в каждой точке пространства вокруг ядра атома. Электронное облако – это область пространства, в которой с высокой вероятностью может быть обнаружен электрон.
Для согласования электронного строения атома углерода и валентности этого элемента пользуются представлениями о возбуждении атома углерода. В нормальном (невозбужденном) состоянии атом углерода имеет два неспаренных 2р 2 -электрона. В возбужденном состоянии (при поглощении энергии) один из 2s 2 -электронов может переходить на свободную р -орбиталь. Тогда в атоме углерода появляется четыре неспаренных электрона:

Напомним, что в электронной формуле атома (например, для углерода 6 С – 1s 2 2s 2 2p 2) большие цифры перед буквами – 1, 2 – обозначают номер энергетического уровня. Буквы s и р указывают форму электронного облака (орбитали), а цифры справа над буквами говорят о числе электронов на данной орбитали. Все s -орбитали сферические:

На втором энергетическом уровне кроме 2s -орбитали имеются три 2р -орбитали. Эти 2р -орбитали имеют эллипсоидную форму, похожую на гантели, и ориентированы в пространстве под углом 90° друг к другу. 2р -Орбитали обозначают 2р х , 2р y и 2р z в соответствии с осями, вдоль которых эти орбитали расположены.

При образовании химических связей электронные орбитали приобретают одинаковую форму. Так, в предельных углеводородах смешиваются одна s -орбиталь и три р -орбитали атома углерода с образованием четырех одинаковых (гибридных) sр 3 -орбиталей:

Это – sр 3 -гибридизация.
Гибридизация – выравнивание (смешивание) атомных орбиталей (s и р ) с образованием новых атомных орбиталей, называемых гибридными орбиталями .

Гибридные орбитали имеют асимметричную форму, вытянутую в сторону присоединяемого атома. Электронные облака взаимно отталкиваются и располагаются в пространстве максимально далеко друг от друга. При этом оси четырех sр 3-гибридных орбиталей оказываются направленными к вершинам тетраэдра (правильной треугольной пирамиды).
Соответственно углы между этими орбиталями – тетраэдрические, равные 109°28".
Вершины электронных орбиталей могут перекрываться с орбиталями других атомов. Если электронные облака перекрываются по линии, соединяющий центры атомов, то такую ковалентную связь называют сигма()-связью . Например, в молекуле этана С 2 Н 6 химическая связь образуется между двумя атомами углерода перекрыванием двух гибридных орбиталей. Это -связь. Кроме того, каждый из атомов углерода своими тремя sр 3 -орбиталями перекрывается с s -орбиталями трех атомов водорода, образуя три -связи.

Всего для атома углерода возможны три валентных состояния с различным типом гибридизации. Кроме sр 3 -гибридизации существует sр 2 - и sр -гибридизация.
sр 2 -Гибридизация – смешивание одной s - и двух р -орбиталей. В результате образуются три гибридные sр 2 -орбитали. Эти sр 2 -орбитали расположены в одной плоскости (с осями х , у ) и направлены к вершинам треугольника с углом между орбиталями 120°. Негибридизованная
р -орбиталь перпендикулярна к плоскости трех гибридных sр 2 -орбиталей (ориентирована вдоль оси z ). Верхняя половина р -орбитали находится над плоскостью, нижняя половина – под плоскостью.
Тип sр 2 -гибридизации углерода бывает у соединений с двойной связью: С=С, С=О, С=N. Причем только одна из связей между двумя атомами (например, С=С) может быть -связью. (Другие связывающие орбитали атома направлены в противоположные стороны.) Вторая связь образуется в результате перекрывания негибридных р -орбиталей по обе стороны от линии, соединяющей ядра атомов.

Ковалентная связь, образующаяся путем бокового перекрывания р -орбиталей соседних углеродных атомов, называется пи()-связью .

Образование -связи

Из-за меньшего перекрывании орбиталей -связь менее прочная, чем -связь.
sр -Гибридизация – это смешивание (выравнивание по форме и энергии) одной s- и одной
р -орбиталей с образованием двух гибридных sр -орбиталей. sр -Орбитали расположены на одной линии (под углом 180°) и направлены в противоположные стороны от ядра атома углерода. Две
р -орбитали остаются негибридизованными. Они размещены взаимно перпендикулярно
направлениям -связей. На рисунке sр -орбитали показаны вдоль оси y , а негибридизованные две
р -орбитали– вдоль осей х и z .

Тройная углерод-углеродная связь СС состоит из -связи, возникающей при перекрывании
sp -гибридных орбиталей, и двух -связей.
Взаимосвязь таких параметров атома углерода, как число присоединенных групп, тип гибридизации и типы образуемых химических связей, показана в таблице 4.

Таблица 4

Ковалентные связи углерода

Число групп, связанных с углеродом	Тип гибридизации	Типы участвующих химических связей	Примеры формул соединений
4	sp 3	Четыре - связи
3	sp 2	Три - связи и одна - связь
2	sp	Две - связи и две -связи	H–CC–H

Упражнения .

1. Какие электроны атомов (например, углерода или азота) называют неспаренными?

2. Что означает понятие «общие электронные пары» в соединениях с ковалентной связью (например, СН 4 или Н 2 S)?

3. Какие электронные состояния атомов (например, С или N) называют основными, а какие возбужденными?

4. Что означают цифры и буквы в электронной формуле атома (например, С или N)?

5. Что такое атомная орбиталь? Сколько орбиталей на втором энергетическом уровне атома С и чем они различаются?

6. В чем отличие гибридных орбиталей от исходных орбиталей, из которых они образовались?

7. Какие типы гибридизации известны для атома углерода и в чем они заключаются?

8. Нарисуйте картинку пространственного расположения орбиталей для одного из электронных состояний атома углерода.

9. Какие химические связи называют и какие ? Укажите - и -связи в соединениях:

10. Для атомов углерода приведенных ниже соединений укажите: а) тип гибридизации; б) типы его химических связей; в) валентные углы.

Ответы на упражнения к теме 1

Урок 5

1. Электроны, которые находятся по одному на орбитали, называют неспаренными электронами . Например, в электронографической формуле возбужденного атома углерода – четыре неспаренных электрона, а у атома азота – три:

2. Два электрона, участвующие в образовании одной химической связи, называют общей электронной парой . Обычно до образования химической связи один из электронов этой пары принадлежал одному атому, а другой электрон – другому атому:

3. Электронное состояние атома, в котором соблюдается порядок заполнения электронных орбиталей: 1s 2 , 2s 2 , 2p 2 , 3s 2 , 3p 2 , 4s 2 , 3d 2 , 4p 2 и т.д., называют основным состоянием . В возбужденном состоянии один из валентных электронов атома занимает свободную орбиталь с более высокой энергией, такой переход сопровождается разъединением спаренных электронов. Схематически это записывают так:

Тогда как в основном состоянии было только два валентных неспаренных электрона, то в возбужденном состоянии таких электронов становится четыре.

5. Атомная орбиталь – это функция, которая описывает плотность электронного облака в каждой точке пространства вокруг ядра данного атома. На втором энергетическом уровне атома углерода четыре орбитали – 2s , 2р x , 2р y , 2р z . Эти орбитали различаются:
а) формой электронного облака (s – шар, р – гантель);
б) р -орбитали имеют разную ориентацию в пространстве – вдоль взаимно перпендикулярных осей x , y и z , их обозначают р x , р y , р z .

6. Гибридные орбитали отличаются от исходных (негибридных) орбиталей формой и энергией. Например, s -орбиталь – форма сферы, р – симметричная восьмерка, sp -гибридная орбиталь – асимметричная восьмерка.
Различия по энергии: E (s ) < E (sр ) < E (р ). Таким образом, sp -орбиталь – усредненная по форме и энергии орбиталь, полученная смешиванием исходных s - и p -орбиталей.

7. Для атома углерода известны три типа гибридизации: sp 3 , sp 2 и sp (см. текст урока 5 ).

9. -связь – ковалентная связь, образующаяся путем лобового перекрывания орбиталей по линии, соединяющей центры атомов.
-связь – ковалентная связь, образующаяся путем бокового перекрывания р -орбиталей по обе стороны от линии, соединяющей центры атомов.
-Связи показывают второй и третьей черточкой между соединенными атомами.

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Гибридизация атомных орбиталей

Лайнус Карл Полинг

Гибридизация атомных орбиталей – изменение формы и энергии орбиталей атома при образовании ковалентной связи для достижения более эффективного перекрывания орбиталей.

Различные орбитали, несильно отличающиеся энергиями, образуют соответствующее число гибридных орбиталей. Число гибридных орбиталей равно числу атомных орбиталей, участвующих в гибридизации. Гибридные орбитали одинаковы по форме электронного облака и по энергии.

В гибридизации участвуют не только связывающие электроны, но и неподеленные электронные пары.

По сравнению с атомными орбиталями гибридные более вытянуты в направлении образования химических связей и поэтому обуславливают лучшее перекрывание электронных облаков.

Гибридная орбиталь больше вытянута по одну сторону ядра, чем по другую.

Коорд. число Тип гибридизации Пространственная конфигурация молекулы, центральный атом которой подвергается гибридизации Расположение атомов в молекуле Примеры соединений 2 sp Линейная BeCl 2 , CO 2 , HCN 3 sp 2 Тригональная BF 3 , BCl 3 , NO 3 - , HgI 3 - , CdCl 3 - 4 sp 3 Тетраэдрическая CH 4 , CCl 4 , XeO 4 , HgI 4 - ,

sp-гибридизация - это гибридизация, в которой участвуют атомные орбитали одного s - и одного p -электронов

В процессе гибридизации образуются 2 гибридные орбитали, которые ориентируются друг к другу под углом 180 °

Представление о sp -гибридизации орбиталей можно применить для объяснения линейной формы молекулы BeH 2 , в которой атом бериллия образован гибридными sp -орбиталями.

О бразование молекулы фторида бериллия. Каждый атом фтора, входящий в состав этой молекулы, обладает одним неспаренным электроном, который и участвует в образовании ковалентной связи.

Атом бериллия в невозбужденном состоянии неспаренных электронов не имеет: Поэтому для участия в образовании химических связей атом бериллия должен перейти в возбужденное состояние:

при затрате некоторой энергии вместо исходных s - и р-орбиталей атома бериллия могут образоваться две равноценные гибридные орбитали (sp - орбитали).

Примеры химических соединений, для которых характерна sp -гибридизация: BeCl 2 , BeH 2 ,CO, CO 2 , HCN, карбин, ацетиленовые углеводороды (алкины).

sp 2 -гибридизация – гибридизация, в которой участвуют атомные орбитали одного s - и двух p -электронов

В результате гибридизации образуются три гибридные sp 2 орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу

Этот тип гибридизации наблюдается в молекуле BCl 3 .

sp 2 - гибридизация атома бора в молекуле фторида бора. Здесь вместо исходных одной s - и двух р-орбиталей возбужденного атома бора

образуются три равноценные sp 2 - орбитали. Поэтому молекула построена в форме правильного треугольника, в центре которого расположен атом бора, а в вершинах-атомы фтора.

Примеры соединений, в которых наблюдается sp 2 -гибридизация: SO 3 , BCl 3 , BF 3 , AlCl 3 , CO 3 2- , NO 3 - , графит, этиленовые углеводороды (алкены), карбоновые кислоты и ароматические углеводороды (арены).

sp 3 - гибридизация – гибридизация, в которой участвуют атомные орбитали одного s - и трех p -электронов

Четыре sp 3 -гибридные орбитали симметрично ориентированны в пространстве под углом 109°28"

не всегда пространственная конфигурация молекулы соответствует тетраэдру, это зависит от числа атомов в молекуле. Примером тому служат молекул воды и аммиакаNH 3.

Валентность атома азота – III, его пять электронов внешнего уровня занимают четыре орбитали, значит, тип гибридизации – sp 3 , но только три орбитали принимают участие в образовании химической связи. Тетраэдр без одной вершины превращается в пирамиду. Поэтому у молекулы аммиака форма молекулы пирамидальная, угол связи искажается до 107°30 ′.

кислород в молекуле воды находится в sp 3 гибридном состоянии, а форма молекулы - угловая, угол связи составляет 104°27′.

Примеры соединений, для которых характерна sp 3 -гибридизация: H 2 O, NH 3 , POCl 3 , SO 2 F 2 , SOBr 2 , NH 4+ , H 3 O + , алмаз, предельные углеводороды (алканы, циклоалканы).

Данный урок поможет вам получить представление о теме «Геометрия молекул. Понятие о теории гибридизации». Будет раскрыт универсальный характер процесса гибридизации для органических, сложных неорганических веществ и аллотропных модификаций углерода. Вы узнаете о зависимости геометрии молекул от типа гибридизации электронных орбиталей и свойств веществ от геометрии молекул.

Тема: Введение в органическую химию

Урок: Геометрия молекул. Понятие о теории гибридизации

на примере молекул с одинарными связями

Внешний уровень атома углерода в основном (невозбужденном) состоянии описывается формулой 2s 2 2p 2 или схемой:

2 s

В этом строении заложены предпосылки для своеобразной симметрии - для четырех электронов имеются как раз 4 орбитали. Еще в середине XIX века немецкий ученый Фридрих Кекуле справедливо предположил, что в органических соединениях валентность углерода равна четырем.

С точки зрения электронного строения атома это можно объяснить так:

Один электрон с 2s-орбитали «перескакивает» на 2p-орбиталь, атом углерода при этом переходит в так называемое возбужденное состояние:

Возбужденное состояние атома углерода 2s 1 2p 3:

2 s

позволяет атому углерода образовать 4 ковалентные связи по обменному механизму.

Три p-орбитали традиционно изображают в форме взаимно перпендикулярных друг другу «гантелей», а s-орбиталь - в форме шара. Три связи, образованные p-электронами, должны располагаться под углом 90 o друг к другу, и они значительно длиннее, чем связь, образованная s-электроном. Но метан СН 4 - это симметричный тетраэдр.

Еще в 1874 г., за много лет до того, как стало возможным прямое определение строения молекул, Якоб Генрик Вант-Гофф (1852-1911), будучи студентом Утрехтского университета, предположил, что атом углерода в соединениях имеет тетраэдрическое строение. Строение молекулы метана СН 4 - правильный тетраэдр с атомом углерода в центре. Валентные углы связей Н-С-Н равны 109 о 28’.

Упрощенное объяснение: все орбитали внешнего уровня углерода выравниваются по энергии и форме, смешиваются, т.е. «гибридизуются», образуя одинаковые гибридные орбитали. См. рис. 1.

Рис. 1. Гибридизация - это смешивание электронных облаков при образовании химических связей

Смешение одной s -орбитали и трех p -орбиталей дает четыре sp 3 -гибридные орбитали, вытянутые по углам тетраэдра с атомом С в центре. Углерод в метане находится в состоянии sp 3 -гибридизации. Рис. 2.

Рис. 2. Строение метана

Строение аммиака

Таким же образом гибридизуются четыре орбитали атома азота в молекуле аммиака NH 3 : У атома азота 5 электронов на внешнем уровне. Поэтому на одной sp 3 -орбитали расположена неподеленная пара электронов, а на остальных трех - электронные пары связей N-H. Все четыре электронные пары располагаются по углам искаженного тетраэдра (электронное облако неподеленной пары больше, чем связывающей). Рис. 3

Рис. 3. Строение аммиака

Строение воды

У атома кислорода 6 электронов на внешнем уровне. Поэтому на двух sp 3 -орбиталях расположены неподеленные пары электронов, а на остальных двух - электронные пары связей О-H. Молекула имеет угловое строение. Рис. 4.

Рис. 4. Строение воды

При таком анализе строения молекул важно не путать геометрию расположения в пространстве электронных пар и геометрию химических связей. Мы видим, что в аммиаке и воде не все электронные пары участвуют в образовании химических связей.

Геометрия молекул или химических связей рассматривает именно расположение атомов в пространстве, не описывая расположение неподеленных электронных пар. Электронные облака гибридных орбиталей стараются как можно дальше оттолкнуться друг от друга. Если облака четыре- то они разойдутся по углам тетраэдра, три - разместятся в плоскости под углом 120°.

Строение молекулы BF 3

На внешнем уровне атома бора 3 электрона. При образовании связей бор, как и углерод, переходит в возбужденное состояние. Одна s- и две p-орбитали, на которых есть электроны, гибридизуются, образуя три одинаковых sp 2 -гибридных орбитали, располагающиеся по углам равностороннего треугольника с атомом бора в центре. Рис. 5

Рис. 5. Строение три фторида бора

Вывод : Геометрия молекул рассматривает расположение атомов в пространстве, не описывая расположение неподеленных электронных пар . Так, строение молекулы воды, состоящей из трех атомов, - не тетраэдрическое, а угловое.

Подведение итога урока

Вы получили представление о теме «Геометрия молекул. Понятие о теории гибридизации». Был раскрыт универсальный характер процесса гибридизации для органических, сложных неорганических веществ и аллотропных модификаций углерода. Вы узнали о зависимости геометрии молекул от типа гибридизации электронных орбиталей и свойств веществ от геометрии молекул.

Список литературы

1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.

2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2008. - 463 с.

3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2010. - 462 с.

4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. - 4-е изд. - М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. - 278 с.

Домашнее задание

1. №№ 1-3 (с. 22) Рудзитис Г.Е. , Фельдман Ф.Г.Химия: Органическая химия. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень/ Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.

2. Почему, имея одинаковый тип гибридизации (какой?), молекулы метана и аммиака имеют разное пространственное строение?

3. Чем отличается основное состояние атома углерода от возбужденного?