Часть 4: Гибридизация, йоу!

Хочу сегодня рассказать, что такое гибридизация как можно короче. Смотрите, дела у атомов состоят таким образом, что в их ядре находятся протоны, нейтроны. Протоны создают положительный заряд, нейтроны просто соединяют протоны, являются как бы прослойкой между ними, так как плюс на плюс даёт что? — правильно, минус, то есть положительно заряженные частицы отталкивают друг друга. — А это было лучшее научное объяснение в мире. Вокруг ядра располагаются электроны, они заряжены отрицательно, они в огромное количество раз меньше протонов, они не отталкивают друг друга по одиночке, но обладают взаимно магнитным действием. По ходу повествования я объясню, о чём я. Как электроны располагаются вокруг ядра? Во-первых, они постоянно двигаются, но по каким траекториям? Учёные не могут сказать точно, потому что электрон двигается настолько быстро, что на данный момент возможно лишь установить, с какой вероятностью электрон окажется в том или ином месте в случайный момент времени. Для тех мест, в которых электрон находится 90% времени есть своё название. Это называется электронными орбиталями, на каждой из которых может находиться по два из них, потому что в этом случае они как бы вступают друг с другом в связь, на подобие той, которой обусловлена связь химическая, то есть они удерживают друг друга магнитно. У электрона есть своя энергия, он как магнит, который мы подносим к железяке, роль которой выполняет ядро: если магнит двигается свободно от железа, не стремится притянуться, это значит, что его энергия велика, если же он двигается ближе к ней, то он, конечно, будет затруднён, его энергия теперь меньше — чем ближе электрон к ядру, тем меньше его энергия и наоборот.

Из орбиталей состоят электронные слои. Каждый последующий слой имеет на себе электроны с большей собственной энергией, чем на предыдущей, каждая последующая орбиталь, соответственно, тоже. Потому и существуют орбитали, потому что с возрастанием энергии траектория меняется. В итоге, размещение идёт в основном так:

Сначала s-орбиталь, затем p-орбиталь, затем d, а после неё — f. Как можете заметить, форма становится всё более и более сложной, это потому что путь частиц становится всё более и более свободным, их уже меньше тянет назад.

Закономерность в том, что вместе с тем, как заполняется новая орбиталь, которая до этого не встречалась ни в одном из слоёв до этого, уровень сменяется, а заполнение происходит вновь от s-орбитали, вновь до того момента, как заполнится орбиталь нового типа. Ниже представлена модель электронного строения атома аргона. Как можете видеть, каждый новый слой начинается с шарообразной орбитали, а заканчивается той, что ещё не встречалась ни разу.

Кстати, стрелками в разные стороны делается акцент на том, что электроны спаренные, что их так называемые спины противоположны. И ещё, сначала заполняются свободные орбитали электронами с одинаковыми спинами, когда свободных не остаётся, электроны вынуждены образовать пару.

У нас может быть только одна s-орбиталь на одном электронном слое, мы же ведь не можем больше разместить шаров в трёхмерной системе координат, кроме как с большим или меньшим радиусом? — Не можем, поэтому после 1s орбитали идёт уже 2s, то есть такая же, но с большим радиусом.
Затем, по мере заполнения, последующие электроны размещаются и на p-орбиталях тоже, она имеет форму гантели, или же объёмной восьмёрки, располагается вдоль одной из трёх осей координат, так как оси у нас всего три, а вдоль каждой из них может быть лишь одна такая фигура одного и того же размера, на p-подуровне три взаимно перпендикулярных орбитали, на каждой из которых по 2 электрона, 2 умножить на 3 — равно 6 электронов всего на подуровне, если не поняли, то можете просто представить двухмерный крест с углом 90 градусов, через центр которого проходит ещё одна ось, а вместо палочек — гантели.

Потом идёт d-орбиталь, но нам совсем не нужно её рассматривать, это уже сложнее. Для гибридизации нам хватит и этого.

Так вот, гибридизация, это когда орбитали делятся своей энергией друг с другом, образовывая новую, или же новые орбитали, усреднённые по энергии и форме. Это делается для того, чтобы атом, у которого электроны находятся, допустим, и на s-орбиталях, и на p-орбиталях, не равных по форме, могли образовать с помощью них всех по сигма(σ)-связи равной длины. Количество гибридизованных орбиталей равно начальному количеству орбиталей, вступивших в гибридизацию.

σ-связь — химическая связь между атомами, лежащая вдоль линии между атомами, то есть вдоль линии химической цепи. Образуют эту связь по одному электрону каждого атома, перекрывая действие друг друга, локализуясь в одной области, это локализованные связи. Между двумя атомами может быть только одна локализованная связь.

Сейчас поясню. У атома углерода заполнена s-орбиталь на внешнем слое, а p – не до конца, там лишь два электрона,

поэтому если передать электрону на так называемой “S” некоторое количество энергии, то он сможет покинуть “S” и встать на место недостающей “P”.

Но все эти гантели такие большие, вам так не кажется? Как они будут помещаться между атомами? Поэтому-то они и усредняют свою форму, чтобы все смогли найти себе электрон другого атома в качестве пары.

Но бывает и так, что на взаимодействие пришло не так уж и много заместителей, что некоторые из “гантелек” остались негибридизованными, как, например, в молекулах этилена(sp2 гибридизация) и ацетилена(sp гибридизация).

Этилен в структурной формуле.

Этилен с подписанными видами ковалентной связи.

Ацетилен.

Поэтому атомам углерода приходится образовывать связь меж друг другом снова, но такие большие формы не поместятся на уже существующую линию связи, а σ-связь может образовываться между двумя атомами только одна, поэтому электроны на негибридизованных орбиталях следуют своей траектории, но пытаются притянуться к электрону соседнего атома. Поэтому расстояние между атомами уменьшается, а такая связь зовётся двойной, двойная связь короче одинарной именно из-за этого эффекта. На этом, надеюсь, понятно. Если есть ещё одна негибридизованная орбиталь на каждом из двух атомов, может образоваться тройная связь.

π-связи — связи, образованные электронами негибридизованных p-орбиталей, обусловленные их взаимным перекрыванием. Не лежат вдоль линии σ-связи. Делокализованные.

Сегодня вы узнали что такое гибридизация, рассмотрели виды ковалентных связей, узнали немного больше о строении молекул. С вами был Саймон, бай.