§ 3. КОВАЛЕНТТІК БАЙЛАНЫСТЫҢ БАҒЫТТАЛУЫ
Коваленттік байланысты түзетін
электрон
бұлттарының
белгіді бір бағыты болады, осының салдарынан молекулалар
кеңіетікте белгілі құрылыска не болады. Бұл мәселені ВБ теория-
сы калай шешетінін қарастырамыз.
ИБ теориясы
химиялык байланыс
атомдардың
жалқы
электронды орбитальдарының (бұлттарының) бүркесуі нәтижесін-
де 'і узіледі деп қарайды. Сондыктан коваленттік байланыстың
бағьлын түсіну үшін атомный, байланыс түзуге жұмсайтын орби-
тальтарының пішінін ескеру кажет. Атомдардың орбитальдары
кез :елген бағытта емес, тек өздерінің пішіндеріне сай бағытта
ғана бүркеседі. Қовалентті байланыстың бағытталуымен танысу
үшін екі элементтен кұралған кейбір молекулалардьгң кұры-
лыс
һі
ч карастырамыз.
117
ттштт
VI негізгі топшадағы элементтердің сутекті қосылыстары.
Су молекуласының түзілу схемасы:
Оттек атомы (2s22p4
Н
:Ö: + 2Н. —> :0:Н
Ш
ЕЕШ
байланыс түзуге жалкы
2s 2рх 2ру 2рг
электронды 2ру және 2рг — орбитальдарын жұмсайды, аталған
орбитальдар у және z осьтерінің бойына орналасқан, сондыктан
араларындағы бұрыш 90°. Оттектің 2ру және 2рг орбитальдары
сутек атомдарының жалқы электронды Is — орбитальдарымен
жақсы бүркесуі үшін сутек атомдары оттек атомына у және z
осьтері бойымен жакындауы керек (26-сурет).
26-суретте көрсетілген схема бойынша су молекуласы — бұ-
рышты молекула, О—Н байланыстарының арасындағы валенттік
бұрыш 90°-қа тең болуы керек, ал валенттік бұрыштың тәжірибе
жүзінде анықталған мәні 104,5°. Су молекуласындағы валенттік
бұрыштың 90°-тан ауытқуы байланыстырушы электрон бұлтта-
рының сутектен оттекке карай ығысуынан болады. Электрон
бұлттарының ығысуынан сутек атомдарында артык оң зарядтар
+ 6 пайда болады. Біршама оң зарядталған сутек атомдары
тебісіп, валенттік бұрыштың шамасын 90°-тан 104,5°-ка дейін
ұлғайтады.
Оттек тобына жататын күкірт S, селен Se және теллур Те
атомдарының сырткы электрон қауызының кұрылысы оттек ато-
мыныкіндей. Олар да оттек тәрізді байланыс түзуге екі р-электро-
118
26-сурет. Су молекуласының түзілу схемасы және
құрылысы
және НгТе молекулаларының пішіні су молекуласынікі сияқты
бұрышты болып келеді.
20-кестеде оттек тобына жататын элементтердің еутекті
қосылыстарындағы валенттік бұрыштардың мәндері және сутек
атомдарындағы артық зарядтардың 6 шамалары келтірілген.
20- к е с т е
Н2Э молекулаларындағы валенттік бурыш пен сутек атомдарының артык,
зарядтарының мэндері
Молекула
Н30
H-.S
HsSe
Н,Те
Валенттік бұрыш
104,5°
92°
91°
0
О
а
Артык заряд шамасы, 6
+ 0,34
+ 0,13
+ 0,09
+ 0,03
Сутек атомдарындағы артық оң зарядтардың шамасы (б) кемі-
ген сайын олардың тебісуі азайып, валенттік бұрыш 90°-қа
жакындай түсуі керек. 21-кестеден бұл заңдылыктың іс жүзінде
орындалатынын байқаймыз.
V негізгі топшадағы элементтердің сутекті қосылыстары.
Аммиак молекуласы азоттың бір атомы үш сутек атомымен
косылыеқанда түзіледі:
: N '• + ЗН -> : N : Н
н
Азот атомы (2s22р3
Е З 1 * 1
I
2s 2рх 2ру 2pz
байланыс түзуге
бірімен-бірі 90° бұрыш жасап координаталар ос£.терінің бойына
орналасқан 2рх—, 2ру және 2рг-орбитальдарын жұмсайды. Азот
атомының үш 2р орбитальдары сутек атомдарының Is орбиталь-
дарымен бүркескенде аммиак молекуласы түзіледі (27-сурет).
Аммиак молекуласының пішіні пирамида сияқты, пирамиданың
бір төбесінде азот атомы, ал қалған төбелерінде сутек атомдары
орналасқан.
Азот тобына кіретін фосфор Р, мышьяк As және сурьма Sb
атомдарының сыртқы электрондык кабаттарының кұрылысы азот-
тікіне ұксас: ns'2np3 JTTf И 1 f | | сол себептен РН3, AsH3 және
ns
np
SbH3 молекулаларының пішіні аммиак молекуласының пішіні
сияқты пирамида тәріздес болып келеді.
21-кестеде азот тобына кіретін элементтердің сутектІ қосылыс-
тарындағы валенттік бұрыштың мәндері мен сутек атомдарындағы
27-сурет. Аммиак молекуласының түзілу схемасы.
және құрылысы
артык, зарядтардың б шамалары көрсетілген NH3, РН3, AsH3
және SbH3 молекулаларындағы валенттік бұрыштың мәні теория
бойынша 90° болу керек. Ал тәжірибе жолымен аныкталған
мәндері 90°-тан үлкен. Валенттік бұрыштын, 90°-тан ауыткуының
себебі зарядталған сутек атомдарының өзара тебісуі болып
табылды.
21-кесте
М о л е к у л а
ІУНз
РНз
AsH,s
SbH3
Валенттік
бұрыш
107°
93°
92°
91°
Артык заряд-
тын, шамасы, о
+ 0,26
+ 0,07
+ 0,04
-0 ,0 1
I V
н е г і з г і
т о п ш а д а ғ ы
э л е м е н т т е р д і ң
с у т е к т і
қ о с ы л ы с т а р ы .
Г и б р и д т е н у .
Метан молекуласы козған күйдегі көміртек атомы
( C * 2 s '2 p 3
Ш
Q
2s
2 р
қанда түзіледі:
С* + 4Нн> СН4
Қозған күйдегі көміртек атомы байланыс түзуге жалкы электрон-
ды төрт орбиталін жұмсайды; оның біреуі шар тәрізді 2s — орби-
талі де, қалған үшеуі гантель тәрізді 2р — орбитальдары. Сон-
дықтан метан молекуласындағы төрт байланыстың үшеуі көмір-
тектің 2р — орбитальдары үш сутек атомының Is — орбиталімен
бүркескенде түзіліп, ал төртіншісі көміртектің 2s — орбиталі
сутектің
Is
— орбиталімен бүркескенде түзілуі керек сөйтіп,
метан молекуласындағы төрт байланыстың үшеуінің типі р — s
болып, ал төртіншісінікі s — s болуы керек:
I +
сутектің төрт атомымен қосылыс-
120
P S байланыс
S-S б
а
й
л
а
н
ы
с
p және s — орбитальдарының бүркесу кабілеттіліқтері әр түрлі
болғандықтан, метан молекуласындағы үш р — s бдйланыстың
беріктігі бірдей болып, ал төртінші s — s байланыстың беріктігі
қалған үшеуінікінен өзгешелеу болуы керек. Бұл бір ерекшелік.
Келесі ерекшелік метан молекуласындағы р — s байланыстар
бірімен-бірі 90° бұрыш жасап, ал s — s байланысы р — s бай-
ланыстарымен 125° бұрыш жасауы керек. Сонымен метан молеку-
ласындағы үш байланыс біріне-бірі ұқсас болып, ал төртінші
байланыс касиеттері жағынан қалған үшеуінен өзгешелеу болуы
керек. Бірақ, бұл корытындылар тәжірибеге сай келмейді. Тәжіри-
бе көмегімен анықталған деректер бойынша метан молекула-
сындағы барлық байланыстардың беріктігі бірдей және барлык
байланыстар бірімен-бірі 109° бұрыш жасайды. Жоғарыда жасал-
ған қорытындылар мен эксперимент арасындағы кайшылықты
жою үшін Полинг о р б и т а л ь д а р д ы ң г и б р и д т е н у і туралы
түсінік енгізді. Полингтің пікірі бойынша көміртек атомының
2s және 2р — орбитальдары байланыс түзуге бастапқы таза
күйінде қатыспайды, байланыс түзбестен бұрын олар өзара
«араласып», пішіндері және энергиялары бірдей төрт гибридті
орбитальдарға айналады (28-сурет).
Гибридтенуге бір s және үш р — орбитальдары қагысагын-
дыктан, түзілген орбитальдар sp3 («эс пэ үш» деп оқылады)-гиб-
ридті орбитальдар деп аталады. 5р3-гибридті төрт орбитальдың
төртеуінің де пішіндері бірдей және олар тетраэдрдің төбелеріне
қарай бағытталған, араларындағы бұрыш 109°. Сонымен шар
тәрізді бір s — орбиталі гантель тәрізді үш р — орбиталімен
араласқанда пішіндері бастапқы s және р — орбитальдарына
ұқсамайтын жаңа пішінді sp3 гибридті орбитальдар түзіледі.
Бастапқы 2s және 2р — орбитальдарының энергизлары әр түрлі,
яғни 2р — орбитальдардың энергиясы 2s — орбитальдікінен жоға-
ры болса, гибридтенуден кейін олардың энергиялары теңеседі.
Атомның пішіндері және энергиялары әр түрлі орбитальдарының
(электрон бұлттарының) өзара араласып, бір пішіндес және
S-f-Pjc + Py+Pz
2 8 - с у р е т . s p
3 — г и б р и д т і о р б и т а л ь д а р д ы ң
т ү з і л у і ж ә н е п іш ін і
121
ген. энергиялы орбитальдарға айналуын г и б р и д т е н у деп
атайды.
Гибридті орбитальдар ядроның бір жағына қарап созылыңкы
келеді (28-сурет), сондықтан олар бастапкы таза s — және
р — орбитальға қарағанда косылыеатын атомның орбитальмен
жақсырак бүркесіп, берік байланыстар түзеді. Осының салда-
рынан гибридті орбитальдардың қатысуымен түзілетін молеку-
лалар өте тұракты болады.
Метан молекуласына кайта оралайық. Метан молекуласы
көміртектің sp'1 — гибридті орбитальдары сутек атомдарының
Is — орбитальдарымен жұптасқанда (бүркескенде) түзіледі де
пішіні тетраэдр тәрізді болады (29-сурет).
Көміртек тобына кіретін Si, Ge, Sn және Pb атомдарының валент-
тік қабаттарыныа құрылысы көміртектікіндей: ns2np2
И
ns
Сутекті косылыстарында сутекпен sp,f гибридті орбитальдары
аркылы байланысады. Сондықтан SіН4, GeH4 және РЬН4 молеку-
лаларының пішіні метан молекуласынікі сиякты тетраэдр тәрізді
болып келеді.
Ill негізгі топшадағы элементтердің галогенді қосылыстары.
Мысал ретінде ВҒ:) молекуласының түзілу схемасын талкылай-
І І І
пр
мыз. Бор атомы (В* 2s'2р2
ГҒ| М Һ I I
) байланыс түзуге
2s
2 р
бір 2s және екі 2р — орбиталын пайдаланады. Бүл орбитальдар
байланыс түзбестен бұрын араласып, s p '-гибридті орбитальдарға
айналады (30-сурет). з'р2-гибридті орбитальдар бір жазықтықта
орналаскан, бірімен-бірі 120° бұрыш жасайды.
Фтор атомы (2s'22p:'
Е
н
4
2 р, 2ри 2р.
байланыс түзуге жалқы
29 -сурет. Метан молекуласының түзілу схемасы
және кұрылысы
122
S+Px
+
Ру
SP2
ЗО-сурет. sp~ — гибридті орбитальдардың түзілуі және
пішіні
электронды 2рг орбиталын жұмсайды. ВҒ3 молекуласы бор
атомының sp 2-гибр и дті орбитальдары фтор атомының 2рг орби-
тальдарымен бүркескенде түзіледі (31-сурет). ВҒ3 молекуласы-
ның пішіні тең кабырғалы үшбұрыш тәрізді, молекуладағы төрт
атомның төртеуі де бір жазыктықта орналасқан, валенттік
бұрыш 120°-к.а тең. Бор тобына кіретін алюминий AI, галий Ga
және т. б. элементтердің атомдарының валенттік кауызының
құрылысы (ns2np1
Ш
ns
бордікіне ұксас болғандык,-
пр
тан, газ күйіндегі A1F3, GaF:i және т. б. молекулалардың пішіні
ВҒз молекуласінікі сияқты үшбұрышты болып келеді.
I I негізгі топшадағы элементтердің галогенді қосылыстары.
Қозған күйдегі бериллий атомы (Be*
Ш
) екі фтор
2 s
2р
атомымен қосылысканда ВеҒ2 молекуласы түзіледі.
Ве* + 2Ғ->ВеҒг
Бериллий байланыс түзуге бір 2s және бір 2р-орбитальдарын
пайдаланады. Бұл орбитальдар байланыс түзбестен бұрын өзара
араласып, s p — гибридті орбитальдарға айналады (32-сурет).
sp-гибридті екі орбиталь бір түзудің бойына орналасқан, арала-
рындағы бұрыш 180°. ВеҒг молекуласы бериллий атомының
гибридті орбитальдары фтор атомдарының 2р-орбитальдарымен
жұптасқанда түзіледі, пішіні түзу сызықты болып келеді (33-
сурет).
Бериллий тобына кіретін элементтер Mg, Са және т. б. атом-
123
(s+px+py)
31-сурет. M Fз — молекуласының түзілу схемасы
және күрылысы
дарының сырткы электрондык қауызының кұрылысы (ns2np°
ED
) бериллийдікіне ұқсас болғандыктан газ күйін-
ns
пр
дегі MgF-j, СаҒ2 және т. б. молекулалардың пішіні ВеҒ2 молеку-
ласынікі сияқты түзу сызықты болады.
Литий топшасында элементтердің қосылыстары.
Сілтілік метал-
дардың атомдары ns'
Ш байланыс түзуге бір-ақ орбиталь
ns
жұмсайды. Сол себептен олардың галогенидтерінің құрылысы
түзу сызықты. 34-суретте литий фторидінің молекуласының түзілу
схемасы және құрылысы келтірілген.
d — орбитальдардың қатысуымен түзілген гибридті орбиталь-
дар. Біз s және р орбитальдардың араласуынан түзілетін гибридті
орбитальдардың пішіндерін жоғарыда қарастырып өттік. Валент-
тік кауызьгнда s және р — орбитальдардан басқа еСорбитальдары
да бар атомдар гибридтеуге d-орбитальдарын да пайдаланады.
(S+Pjc)
Sp
3 ‘2 - с у р е т . s p
— г и б р и д т і о р б и т а л ь д а р д ы ң т ү з і л у і ж ә н с п і ш і н і
124
33-сурет. BeF
‘2
— молекуласының түзілу схемасы және кұрылысы
Бір d, бір s және екі р-орбитальдардың араласуынан түзілетін
төрт dsp2 («дэ эс пэ» екі деп оқылады) — гибридті орбитальдар
бірімен-бірі 90° бұрыш жасай орналасады, яғни мұндай орбиталь
дар квадраттың центрінен төбелеріне карай бағытталған. Сон-
дықтан afsp^-гнбридті орбитальдардың қатысуы арқылы түзілген
молекулалардың (немесе иондардың) пішіні жазық квадрат
тәрізді болады (35-сурет). d — орбитальдар қатысканда түзілетін
ең жиі кездесетін гибридтену —d2sp3 — гибридтену. Екі d-, бір s
және үш р-орбитальдардың араласуынан түзілетін алты d2sp3-
гибридті орбитальдар октаэдрдің центрінен төбелеріне қарай
бағытталған. Сол себептен байланыс түзуге атом а^/Дгибридті
орбитальдарын пайдаланса пішіні октаэдр сияқты молекулалар
(иондар) түзіледі (35-сурет).
Атом байланыс түзуге dsp3 — гибридті орбитальдарын жұм-
сағанда түзілетін молекулалардың пішіні үшбұрышты бипира
мида сияқты болады.
§ 4. КЕЙБІР ҚАРАПАЙЫМ МОЛЕКУЛАЛАРДЫҢ ҚҰРЫЛЫСЫ
Құрамдары жалпы түрде AB, АВ2 АВ3, АВ5 және АВв форму-
лаларымен өрнектелетін молекулалардың құрылысын бірге қарас-
тырайық (22-кесте). Формулалардағы А деп отырғанымыз орта-
лық атом, ал В — кез келген бір валентті атом (Н, Ғ, С1 және
т. б.). Құрамы АВ2 формуласымен өрнектелетін молекулада
орталык атом А байланыс түзуге екі орбиталін жұмсайды. Орта-
лық атомның орбитальдарының типіне қарай АВ2 молекуласының
пішіні түзу сызықты не болмаса бұрышты болып келеді. Мысалы,
ВеҒ2 — түзу сызықты молекула, ал 0 Н 2(Н20 ) — б-ұрышты моле
кула. Бірінші мысалымызда бериллий атомы байланыс түзуге
sp — гибридті орбитальдарын жұмсайды, сол себептен ВеҒ2-нің
пішіні түзу сызықты. Ал екінші мысалымызда оттек атомы байла-
ныска р~ орбитальдарын пайдаланады, сол себептен су молекула-
сы — бұрышты молекула. Сонымен, егер орталык атом А байла-
нысуға sp — гибридті орбитальдарын пайдаланса АВ2 молеку-
ласының пішіні түзу сызыкты болады да, ал р2— орбитальдарын
пайдаланса пішіні бұрышты болады. Құрамы АВ3 формуласымен
3 4 - с у р е т . Ц Ғ
м о л е к у л а с ы н ы ң т ү з і л у с х е м а с ы
125
35-сурет. а) жазык. квадратты кұрылым,
б) откаэдрлік құрылым, в) үшбұрышты
бипирамидалык. құрылым
өрнектелетін молекулаларда орталык атом А бір валентті В атом-
дарымен үш орбиталь көмегімен байланысады. Орталык атом
байланысуға 5р2-гибридті орбитальдарын пайдаланса АВ3 моле-
куласының пішіні жазык үшбұрышты сиякты да, ал р3 орбиталь
дарын пайдаланса пирамида сияқты болады. Мысалы, ВҒз—
жазық үшбұрышты молекула, ал NH3 пирамида тәрізді молекула.
Қарастырған мысалдардан мынадай жалпы корытынды туады.
АВ„(п = 2, 3, 4, 5, 6) молекулаларының пішіні орталык атомның
байланыс түзуге жұмсайтын валенттік орбитальдарының типіне
тәуелді.
22-кесте
AB п — типтес молекулаларының кеңістіктегі күрылысы
М о л е к у л а л а р -
д ы ң т и п і
А а т о м ы н ы ң
б а й л а н ы с
т ү з у г е ж ұ м с а й -
т ы н о р б и т а л ь
д а р ы н ы қ с а н ы
А а т о м ы н ы қ
б а й л а н ы с
т ү з у г е ж ұ м с а й -
т ы н о р б и т а л ь -
д а р ы н ы ң т и п і
М о л с к у л а н ы ң
к е ц і с т і к т е г і
ПІІІІІНІ
М ы с а л д а р
А В
i
s
немесе
р
Тузу сызықты
LiF, HCl
а в
2
2
р
Түзу сызықты
бүрышты
ВеҒ
ОН2,
SH2
А В з
3
sp-
■
Р'
Жазық үш
бұрышты
пирамида
BF:,
NH3, 1 РНз
1
> со
4
sp3
dsp~
Тетраэдр
жазык, квадрат
с н
4
Ni (CN
)
4-
А В б
5
d s p
'
Үш бұрышты
бипирамида
P C I- ,
ш
,;
6
d?sp3
Төрт бұрышты
бипирамида
(октаэдр)
SF6
Молекулалардың кеңістіктегі кұрылысын түсіндіретін баска да
теориялар бар. Олардың бірі соңғы кезде пайда болған Паули
принципіне негізделген жаңа теория — электрондык жұптардың
126
тебісу теориясы Паули принцип! боиынша атомдағы спиндері
бірдей электрондар өзара катты теб.с.п б.р.нен-бірі мүмкшші-
лігінше алшак орналасуға тырысады. Мысалы, қозған күидеп
Be атомындағы (
2
s 1,
2
р " екі электронный екеуінщ де спиндер.
бірдей, сондықтан олар бір^ен-бф, өте қатты тебіліп ядроның
екі жағында болады. Ал козған күидегі бор атомындағы (2s ,
2
p ,1,
2
p,,1) спиндері бірдеи Үш электрон өзара тебісіп, үш
бұрыш төбелеріне карай бағьпталады т. с. с. А - атомы молекула
түзгенде оның валенттік денгеиіндегі жалкы электрондары Ь -
атомының электрондарымен жұптасып, электрондык жұптарға
айналады. Мүндай электрон жұптарын АЬ„ молекуласындағы
А атомының валенттік денгеидегі электрон жұптары деп атаиды.
А атомының кейбір электрон жұптары баиланыс түзуге қатыспауы
мүмкін. Мысалы
:NH
3
* әне :ОН
2
молекулаларындағы азот
және оттек атомдарынын валенттік деңгейлеріндегі бір және
екі электрон жүбы байланыс түзуге катыспайды. AB, молекула-
сындағы А атомынын валенттік Деңгейіндегі электрон жұптары
жеке А атомындағы спиндеР' бФДей электрондар сиякты бірінен-
бірі мүмкіншілігінше алшаК орналасады.
Екі электрон жұбы А атомының екі жағына, үш электрон
жүбы үш бұрыш төбелеріне, терт электрон жұбы тетраэдр төбе-
леріне бағытталған боладЫ т- с- с- Осыған сай AB, молекуласы-
ның кеңістіктегі кұрылысЫ түзу сызыкты, жазык үшбұрышты
және тетраэдр сиякты болып келеді. Демек, жаңа теория боиынша
AB, молекуласынын кеңістіктегі кұрылысы А атомынын валенттік
деңгейіндегі электрон жұптарының өзара тебісуімен түсіндіріледі.
Енді осы жаңа теория тұрғысынан орталык атомының
валенттік деңгейінде үш және төрт электрон жұптары болатын
кейбір молекулалардың кеністіктегі кұрылысын карастырамыз.
Валенттік деңгейдегі үш электрон жұбы үш бұрыш төбелеріне
бағытталғандыктан АВз молекулаларының (мысалы ВҒ3) кұ-
рылысы жарык үш бұрышты, ал молекуладағы валенттік бұрыш-
тың мәні 120° болады Егер А атомынын валенттік деңгейіндегі
үш электрон жұбының біреу' байланыс түзуге мтыспаса, яғни
молекула кұрамы :АВ
2
болса, онда молекуланың құрылысы
бұрышты болып байланыс түзуге катыспайтын электрон жұбы
үш бұрыш төбесіне карай бағЫтталады. Мысалы, газ күйдегі
SnClo-нің пайдаланылмаған элек\р0н жұбы бар кұрылысы мына-
дай:
Sn
Cl
Cl
Валенттік кабаттағы төрт электрон жұп тетраэдр төбелеріне
бағытталатындыктан
молекулаларының, (мысалы, СН4)
құрылысы тетраэдр тәрізДІ болады. Ам^миак .NH
3
және су .ОНг
молекулалары сиякты в^енггік деңгеидегі төрт жұптың біреуі
немесе екеуі байланыс тҮ
3
Уге катыспаса молекула пирамида
сиякты (NH3) немесе бҰрышты (Н
2
0 ) болады. Ал олардағы
127
пайдаланылмаған электрон жұптары тетраэдр төбелеріне бағытта-
лады:
ө
о
н / | \ н
н
н
Демек, жаңа теория бойынша ЫН.з және ҒІ20 молекулаларын-
дағы валенттік бұрыштың мәндері метан молекуласындағыдай
109,5° болу керек. Бірақ, іс жүзінде аталған молекулалардағы
валенттік бұрыштың 109,5°-тан кіші болатынын бұрыннан білеміз
(ЫНз-те 107°, Н
2
0-да 104,5°). Бұл былайша түсіндіріледі. Бай-
ланыс түзуге катыспайтын электрон жұптары байланыс түзуге
қатысатын электрон жұптарына қарағанда көрші жұптарды
қаттырақ тебеді. Осының салдарынан NFF және Н20 молекула-
ларындағы валенттік бұрыштың мәні 109,5°-тан кішірейеді.
Достарыңызбен бөлісу: |