Қазақстан республикасы ғылым және білім министрлігі

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.

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:

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.

Молекулалар арасындағы байланыс. Атомдар бір-біріне тартылысып молекула түзеді. Тартылыс күштері тек атомдар арасында ғана емес, молекулалар арасында да болады. Молекулалар арасында тартылыс күштерінің болатынына заттардың қатты және сұйық күйде болуының өзі дәлел. Мынадай мысал келтірейік. Хлор - кәдімгі жағдайда екі атомды молекуладан С1₂ тұратын газ. Енді газ күйіндегі хлорды суытатын болса, ол-34,0°С-та сұйық, ал-101,4°С-та қатты күйге айналады. Қатты хлордың 1 молі (71 грамы) 35,5 мл көлем алады, яғни 6,02·10²³ молекуладан тұратын қатты күйдегі хлор не бары 35,5 мл көлем алады. Осынша көп молекулалар жан-жаққа бытырап кетпей, өзара бірігіп азғантай ғана көлем алып тұрады. Бұл қатты хлордағы молекулалардың өзара тартылысып, байланысып тұрғанын көрсетеді. Сонымен молекулалар да өзара байланысады екен.

Молекулаларды байланыстыратын күштер, туралы ұғымды ғылымға бірінші рет енгізген Голландия ғалымы құрметіне Ван-дер-Ваальс күштері деп аталады. Ван-дер-Ваальс күштеріне сәйкес келетін энергия химиялық байланыстың энергиясынан жуық мөлшермен ондаған есе аз. Мұны мынадан байқауға болады. Хлор молекуласындағы С1₂ хлор атомдары бірімен-бірі коваленттік байланыспен байланысқан, бұл байланыстың энергиясы 57 ккал/моль. Қатты хлорда хлор молекулалары Ван-дер-Ваальс күштерімен байланысқан, оның энергиясы 3 ккал/моль. Осыдан Ван-дер-Ваальс күштері - валенттік күштерге қарағанда әлдеқайда әлсіз күштер екенін көрініп тұр.

Ван-дер-Ваальс күштерінің табиғаты қандай? Не себептен молекулалар біріне-бірі тартылысады? Бұл сұрақтарға жауап беру үшін алдымен молекулалардың электрлік қасиеттерімен танысамыз.

Молекуланың диполь сәті. Электрон тығыздығының таралуына сай молекулалар: полюссіз және полюсті болып екіге бөлінетіні белгілі. Полюссіз молекулалардың мысалы ретінде бірдей атомдардан тұратын Н₂, Ғ₂, С1₂, Вr₂, N₂, О₂ молекулаларды атауға болады.

Аталған молекулалардағы электрон тығыздығы екі атомның екеуінде де біркелкі таралған. Ал енді сутек фториді НҒ молекуласын алатын болса, ондағы электрон тығыздығының таралуы біркелкі емес. Байланыстырушы электрон бұлты фтор атомына қарай ығысқан. Сол себептен фтор атомында артық теріс, ал сутек атомында артық оң заряд пайда болады. Сутек фториді сияқты бір бөлігінде артық оң, ал екінші бөлігінде артық теріс заряд жинақталған молекулалар полюсті молекулалар деп аталады. Полюсті молекулаларды таңбалары қарама-қарсы, бірақ шамалары бірдей бірінен-бірі белгілі қашықтықта орналасқан зарядтардан (+δ және -δ) құралған диполь деп қарастыруға болады (75-сурет).

Зарядтардың арақашықтығы диполь ұзындығы деп аталады. Молекуланың полюстігі оның диполь сәтімен сипатталады. Молекуланың диполь сәті диполь ұзындығы мен заряд шамасы δ-ның көбейтіндісіне тең

μ = l·δ

кестеде кейбір молекулалардың диполь сәттері келтірілген. Екі атомды молекулалардың диполь сәті ондағы байланыстың диполь сәтімен анықталады. Мысалы, екі атомды сутек молекуласындағы байланыс полюссіз, осыған орай молекула да полюссіз, оның диполь сәті нольге тең. Ал хлор сутектегі байланыс полюсті байланыс, оның диполь сәті 1,04Д, осыған орай НСІ да полюсті молекула және оның диполь сәті байланыстың диполь сәтіне тең

Көп атомнан тұратын молекулалардың диполь сәті молекуладағы жеке байланыстардың диполь сәттерінің геометриялық қосындысына тең. Бірнеше мысалдар келтірейік. Үш атомнан тұратын СО₂молекуласындағы жеке С-О байланыстарының диполь сәттері 2,7Д, бірақ осыған қарамастан молекуланың диполь сәті нольге тең, сондықтан молекула полюссіз. Мұның себебін 76-суреттен оңай түсінуге болады. Диполь сәті - векторлық шама, ол оң полюстен теріс полюске қарай бағытталған. Біздің мысалымызда С-О байланыстарының диполь сәттері кеміртектен оттекке қарай бағытталған. СО₂ молекуласы сызықтық молекула, ондағы С-О байланыстарының диполь сәттері шама жағынан біріне-бірі тең, бірақ, қарама-қарсы бағытталған. Қарама-қарсы бағытталған дипольдар бірін-бірі жойып, молекуланың диполь сәті нольге тең болады, осының салдарынан молекула полюссіз.

Енді үш атомнан тұратын, бірақ құрылысы бұрышты болып келетін су молекуласын қарастырайық. Су молекуласындағы Н-О байланыстарының диполь сәттері 1,51 Д және бұл байланыстар бірімен-бірі 105° бұрыш жасай орналасқан. Су молекуласының диполь сәті Н-О байланыстарының диполь сәттерінің геометриялық қосындысына тең болады. Геометрияда екі вектордың қосындысы сол вектордан құралған параллелограмманың диагоналына тең деген ереже бар. Енді осы ережеге сүйеніп су молекуласының диполь сәтін есептесек ол 1,84 дебайға тең болады (76-сурет). Сонымен көп атомды молекулалардың диполь сәті ондағы байланыстардың полюстігімен анықталады.

Химиялық әдебиеттерде s-орбитальді s-деңгейше, р-орбитальді р-деңгейше деп те атайды. s-орбиталь кеңістікте бір түрде ғана орналасады, оны біркванттық ұяшықпен, ал р-орбиталь кеңістікте үш түрлі (х, у, z бағыттарында) орналаса алатындықтан оны үш кванттық ұяшықпен белгілейді.

Енді элементтердің электрондарының орналасуын көрсететін формулаларына көшейік. Сутек атомында бір ғана электрон бар, ол бірінші энергетикалық деңгейде s-деңгейшеде орналасқан, олай болса сутек атомының электрондық формуласы 1s¹ болады, ал гелий атомыныкі — ls².

Атомда электрондар ядроны айнала қозғалуынан басқа өз білігінен де айнала алады, Жердің Күнді айналуымен бірге өз білігінен де айналатыны сияқты.

Электронның өз білігінен айналуын спин деп атайды, электрон сағат тілінің қозғалыс бағытымен немесе оған қарама-карсы бағытта қозғалады, ол формулада бір кванттық ұяшыкта екі электронды орналастырғанда бағдаршаларды қарама-қарсы жазу арқылы көрсетіледі. Мысалы: H 1s¹ дара бір электрон болса, ал гелий атомында 1 s². Осындай формулалар атомның электронды-құрылымдық формуласы деп аталады

Гибридтеліну дегеніміз әр түрлі атомдық орбитальдардың арласып,энергиялық ждағынан тиімді біркелкі АО-ң түзілуі. Мұндай гибридті орбиталдар басқа атомдармен хим-қ байланыс түзуге өте бейім.Гибридті орбиталдардың саны гибридтенуге қатынасқан орбиталдардың санына тең.Гибридті орбиталдар электрон бұлттарының пішіні мен энергиясы жағынан бірдей болып келеді.Олар атомдық орбиталдарға қарағанда хим-қ байланыс түзу сызықтың бойында жатады,сондықтан электрон бұлттарының бүркесуіне қолайлы жағдай туады.АО гибредтену түрлері көп. Олардың ең маңыздыларын қарастырайық: .sp-гибридтену.Периоодтық жүйедегі екінші топша элеиенттерінің галогендерімен қосылыстарында sp-гибридтену түрі іске асды Берилийдің сутекпен және галогендермен қосылыстарын қарастырайық.Берилий негізгі жағдайда жұптаспаған электрондары жоқ.Бірақ оның барлық қосылыстарының құрылысы түзу сызықты болып келеді.Осындай құрылысты ВБ теориясыментүсіндіру үшін,Ве электрондарының қозған жағдайын қарастырады,осының нәтижесінде екі жұптаспаған электрондар пайда болады.Ве-ң әртүрлі екі орбиталі бірігіп жаңа жәнне ұқсас екі гибридті электрондар пайда болады.sp-гибридтену.Бір s-орбитальдарымен және екі р-орбиталдарымен қосылып,жаңа үш sp-гибридтелу дейді.Олардың валенттік бұрыштары

120ºжәне бір жазықтықта орналасқан ең қолайлы жағдай орналасады.Осындай гибридтену периодтық жүйедегі үшінші топша элементтерінің молекулаларына тән.Әр түрлі гибридті орбитальдардың кеңістіктегі құрылысы да әр түрлі болады:сызықты,үшбұрышты,тетраэдрлі.Валенттік жұп электрондардың тебелісу теориясы толық гибридтелу бойынша байланысқа қатыспайтын электрон жұптарының тебісу әсері байланыстырушы жұп электрондарға қарағанда көбірек.Сонымен ВБ әдісін қолданып қорытынды жасауға болады :

1.ВБ әдісі көптеген молекулалардың геометриялық құрылысын түсіндіруге мүмкіндік береді.

2.Гибридті орбиталдардың кеңістікте орналасуы өзара электрон бұлттарының приципіне бағынады.

3.Гибридтеліну коволентті баланыстың ерекше қасиеті,байланыстың бағытталынуын сипаттайды.Ковалентті байланыстың иондық байланыстан басты айырмашылығы,иондық байланысқа бағытталу қасиеті тән емес.