Гибридтену теориясы

Гибридтену теориясы - валенттік байланыс (ВБ) әдісінен шығатын теория. Мұнда молекулалардың стереохимиясына қатысты мәселелерге гана тоқталамыз.

АВ_n формуласы

Құрамы АВ_n формуласымен өрнектелетін молекулалардағы көпвалентті А атомы орталық атом, ал онымен тікелей байланысқан В атомдары лиганд деп аталады. Орталық атоммен тікелей байланысқан шеткі атомдардың (лигандтардың) саны n - орталық атомның координаңиялық саны деп аталады, оның мәні ВБ әдісі бойынша орталық атомның сигма-байланыстар түзуге жүмсайтын орбитальдарының санына тең болады. АВ_n молекуласындағы ВАВ бұрышы валенттік бұрыш деп аталады.

Гибридтену теориясы бойынша молекуланың (ионның) кеңістіктегі құрылысы орталық атомның о-байланыстар түзуге жұмсайтын орбитальдарының типіне байланысты болады.

Орталық атомның $-байланыстар түзуге жұмсайтын орбитальдарының типі және молекулалардың геометриялық пішіні

Координациялық сан	2	3	4	5	6	7
Орталық атомның орбитальдарының типі	sp, p2	sp2, p3	sp3, sp2d x2-y2	sp3dz2	sp3d2	sp3d3
Молекуланың геометриялық пішіні	Сызықты, Бұрышты	Жазық үшбұрышты, Үшбұрышты пирамида	Тэтраэдр, Квадрат	Үшбұрышты, бипирамида	Октаэдр	Бесбұрышты бипирамида
Валенттік бұрыштың теориялық мәні	180°, 90°	120°, 90°	109°28, 90°	180°, 90°, 120°	90°	90°, 180°, 72°
Мысалдар	BeF2, H2S	BF3, GaJ3, AsH3, PCl3	SiF4, CH4, XeF4	PF5, PCl5	SF6	JF7

АВ₂

3 sp₃ орбитальдар

Кестеден құрамы АВ₂, формуласымен өрнектелетін екікоординациялы молекулалар мен иондардың құрылысы екі түрлі болатыны көрінеді. Орталық атом байланыс түзуге sр-гибридті орбитальдарын пайдаланса түзу сызықты, ал таза р²-орбитальдарын пайдаланса бұрышты молекула шығады.

АВ₃

Үшкоординациялы АВ₃ молекулаларында (иондарында) орталық атом байланыс түзуге sр²- немесе р³- орбитальдарын пайдалануы мүмкін, осыған сәйкес мүндай молекулалардың құрылысы жазық үшбұрышты немесе пирамидалы болады.

4 sp₃ орбитальдар

АВ₄

Төрткоординациялы АВ₄ молекулаларының (иондарының) құрылысы тетраэдрлі немесе жазық квадратты болады. Тетраэдрлі молекулалар мен иондар өте көп, мысалы СН₄, SІН₄, SіСl₄, NН₄⁺, ВҒ₄^_. Мұндай молекулаларда орталық атом байланыс түзуге sр^3- гибридті орбитальдарын пайдаланады, валенттік бұрыштың теориялық мәні 109°28.

Жазық квадратты құрылым металл кешендеріне тән, бейметалдардың қосылыстарының ішінде сирек кездеседі, мысалы, ХеҒ₄, JСl₄. Жазық квадратты молекулалар мен иондарда орталық атом - байланыстар түзуге квадрат төбелеріне қарай бағытталған sp3d (дәлірек sp²d _x2-y2) - гибридті орбитальдарын жүмсайды, валенттік бұрыштың теориялық мәні - 90°.

АВ₅

Бес координациялы АВ₅ молекулаларында орталық атом байланыстар түзу үшін sp³d - гибридтелген бес орбиталін жұмсайды. Мұндай орбитальдардың екі түрі болады: бірінде гибридтенуге d_z² - орбиталі, ал екіншісінде d _x2-y2-орбиталі қатысады. sp²,sp²d_z² - орбитальдар үшбұрышты бипирамида төбелеріне,sp³d _x2-y2 - орбитальдар квадратты пирамиданың бұрыштарына бағытталған. Белгілі АВ₅ молекулаларының басым көпшілігінің құрылысы үшбұрышты бипирамида сияқты, мысалы, РҒ5, РСl₅, SbСl₅. Сондықтан АВ₅ молекулаларындағы орталық атом байланыстар түзуге sp³d_z² - орбитальдарын пайдаланады деп есептелінеді. Үшбұрышты бипирамиданың табанын құрайтын үшбұрыш төбелеріндегі лигандтар - экваториялы лигандтар деп, ал үшбұрыштың үсті мен астында орналасқан лигандтар - аксиал лигандтар деп аталады. Екі экваторы лиганд пен орталық атом түзетін ВАВ бұрышы 120°, экваториялы лиганд орталық атом және аксиалды лиганд түзетін ВАВ бұрышы 90°, ал орталық атом мен екі аксиалды лигандтан түзілетін ВАВ бұрышы 180°.

АВ₆

Алтыкоординациялы АВ₆ молекуласындағы орталық атом s-байланыстар түзуге октаэдр төбелеріне бағытталған sp3d2(дәлірек sp³_x2-y2 ,d_z² ) - гибридті орбитальдарын пайдаланады, демек мұндай молекулалардың құрылысы октаэдр тәрізді болады. Мысалы, SF₆, SeF₆, ТеҒ₆.

АВ₇

Құрамы АВ₇ болып келетін жетікоординациялы молекулалар мен иондар өте сирек кездеседі. Металл еместердің мұндай қосылыстарының бірден-бір мысалы ретінде, ІF7 молекуласын атауға болады. Бұл молекуланың құрылысы бесбұрышты бипирамида сияқты, иод атомы сигма-байланыстар түзуге бесбұрышты бипирамида төбелеріне бағытталған sp³d³ - гибридті орбитальдарын жұмсайды.

Орталық атомның гибридтелген таза р³- және р²- орбитальдары қатысқанда түзілетін АВ₃ және АВ₇ молекулаларының құрылысындағы кейбір ерекшеліктерге тоқталайық. V топтың негізгі топшасындағы элементтердің валенттік қабатында үш жалқы электрон бар. Демек, бұл элементтер үшкоординациялы қосылыстар түзуге таза р³-орбитальдарын пайдаланып, пирамидалы молекула түзеді. Пирамидалы АВ₃ молекуласындағы валенттік ВАВ бұрышының теориялық мәні - 90° демек, NH₃, РН₃, AsH₃, SbH₃ сияқты үшкоординациялы молекулалардағы НЭН бұрышының мәні 90° болу керек, ал валенттік бұрыштың тәжірибеде байқалатын мәндері төменде көрсетілгендей:

NH3	РН3	AsH3	SbH3
107,3°	93,3°	91,8°	91,3°

РН³, AsH, және SbH³ молекулаларындағы валенттік бұрыштың мәні теориялық мәнге жуық, ал NH молекуласындағы валенттік бұрыш теориялық мәннен өте көп ауытқыған. Бұл құбылысты түсіндіретін бірнеше гипотеза бар. Соның бірі - біршама оң зарядталған сутек атомдарының тебісуі. Гибридтену теориясында қабылданған екінші гипотеза бойынша бұл құбылыс былай түсіндіріледі. Үшінші және үлкен периодта орналасқан Р, As, Sb сияқты шементтер байланыс түзуге таза р3-орбитальдарын, ал екінші периодтағы азот - 8р3-гибридті орбитальдарын пайдаланады. Сондықтан РН³, AsH³, SbH, валенттік бұрыш 90°, ал NH³ 109°-қа жуық болады.

Алтыншы топтың негізгі топшасында орналасқан элементтердің валенттік қабатындағы р-орбитальдарында екі жалқы электрон бар, демек, бұл элементтер екікоординациялы ЭХ2 (X- Н, F, С1 кез-келген бір валентті атом немесе радикал) қосылыстар түзуге р2- орбитальдарын пайдаланады. Сондықтан ОН², SH², SeH², ТеН² молекуласындағы бұрыш 90° болу керек, бірақ іс жүзінде:

OH2	SH2	SeH2	ТеН2
104.5°	92.2°	91.0°	89.5°

СH₄ молекуланың құрылысы

SH₂, SeH₂ және ТеН₂ молекулаларындағы валенттік бұрыш 90°-қа жуық болады да, ал су молекуласындағы бұрыш 90° гөрі тетраэдрлік мәнге 109,5° жақындау болады. Бұл құбылыс жоғарыдағыдай түсіндіріледі. Екінші периодтың элементі оттек байланыс түзуге sр³-гибридті орбитальдарын, ал үшінші және үлкен периодтағы S, Se және Те р²- орбитальдарын пайдаланады.

Сонымен екінші периодта орналасқан азот пен оттек өздерінің ұқсастары сияқты байланыс түзуге таза р³- және р²-орбитальдар емес, көміртек сияқты sр³ -гибридті орбитальдарды пайдаланады. Сол себептен NH₃ пен ОН₂ молекулалары СН4 молекуласыныкіне ұқсас болады.

Бірақ метан молекуласында тетраэдрдің төрт төбесінің төртеуінде де сутек атомдары орналасқан, ал NH3 пен ОН2 молекулаларында бір және екі төбелеріне пайдаланылмаған электрондық жұптар орналасқан. СН4, NH3 және ОН2 молекулаларының барлығында да 8р3-гибридті орбиталь пайдаланылатындықтан, бұл молекулалардағы валенттік бұрыш 109,5° болу керек. Бірақ іс жүзінде СН4 - NH, - ОН2 қатары бойынша валенттік бұрыштың мәні 109,5°-тан 104,5°-қа дейін төмендейді. Бұл былай түсіндіріледі: С - N - О қатары бойынша 2s- және 2р-орбитальдарының энергияларындағы айырмашылық ұлғаяды да, 2s-орбитальдардың гибридтенуге қосатын үлесі азаяды. Осының салдарынан валенттік бұрыш тетраэдрлік мәннен кішірейеді.

Сілтемелер

Hybridisation