Часть I
   На главную I. Теоретические основы II. Углеводороды III. Кислородсодержащие соединения IV. Азотсодержащие соединения V. Высокомолекулярные соединения VI. Решение задач
Часть I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Гибридизация атомных орбиталей
Для объяснения пространственного строения молекул и устойчивости ковалентных связей, а также фактов, когда атом образует большее число связей, чем число неспаренных электронов в его основном состоянии (например, атом углеродаАтом углерода проявляет валентность 4 и образует четыре связи, хотя в основном (невозбужденном) состоянии он имеет на внешнем уровне лишь два неспаренных p-электрона (электронная конфигурация углерода 1s22s22p2).) используется постулат о гибpидизации близких по энергии атомных орбиталей
Гибридизация атомных орбиталей
Понятие о гибридизации атомных орбиталей выдвинул Л. Полинг в связи с изучением природы ковалентной связи.
Если у атома, вступающего в химическую связь, имеются неспаренные электроны на разных орбиталях (s-, p-, d- или f-), то в процессе формирования химической связи происходит гибридизация (смешение) орбиталей, т.е. из разнотипных АО образуется набор одинаковых (гибридных). Гибридные орбитали из одного набора эквивалентны: их нельзя отличить друг от друга по форме или по энергии, у них не совпадает только ориентация в пространстве.

Например, комбинация 2s-АО и 2p-АО дает две гибридные 2sp-АО:

Схема гибридизации АО
sp-гибридизация
Строго говоря, понятие "гибридизация" не соответствует какому-либо реальному процессу, а является математическим приемом, квантово-механической моделью, используемой для объяснения пространственного строения молекул и устойчивости ковалентных связей.

Гибридизация АО происходит при образовании ковалентной связи, если при этом достигается более эффективное перекрывание орбиталей. Таким образом, гибридные орбитали свойственны только атомам в молекулах, а не свободным атомам.

Гибридизация атома углерода сопровождается его возбуждением и переносом электрона с 2s- на 2р-АО:


Основное и возбужденное состояния атома углерода.
Cхемаlarge
Гибридизация АО – это взаимодействие (смешение) разных по типу, но близких по энергии атомных орбиталей данного атома с образованием гибридных орбиталей одинаковой формы и энергии.
В процессе гибридизации могут участвовать орбитали, мало отличающиеся по энергии (с одинаковыми значениями главного квантового числа), например, орбитали 2s и 2p (n=2). При этом число гибридных орбиталей равно числу исходных орбиталей. Cмешение 2s-АО с 2p-АО дает две гибридные 2sp-АО:

  Схема гибридизации АО

Орбитали с большой разницей в энергии (например, 1s и 2р) в гибридизацию не вступают.

В зависимости от числа участвующих в гибpидизации p-АО возможны следующие виды гибридизации:
  • для атомов углерода и азота – sp3, sp2 и sp;
  • для атома кислорода – sp3, sp2;
  • для галогенов – sp3, sp2.

Форма гибридных АО (по результатам расчета)

Гибридная АО асимметрична и сильно вытянута в одну сторону от ядра (форма неправильной восьмерки).

Гибридная АОВ отличие от негибридных s- или р-АО она имеет одну большую долю, которая хорошо образует химическую связь, и малую долю, которую обычно даже не изображают, хотя она может играть роль в некоторых реакциях. Гибридизованные АО при взаимодействии с орбиталями различных типов (s-, р- или гибридными АО) других атомов обычно дают σ-МО, т.е. образуют σ-связи. Такая связь прочнее связи, образованной электронами негибридных АО, за счет более эффективного перекрывания.

  • Типы гибридизации АО
    Тип
    гибридизации
    Число
    гибридных
    орбиталей
    ГеометрияСтруктураПримеры
    sp2Линейная

    HC≡CH, CO2, NO2+, BeF2,

    sp23Тригональная

    H2C=CH2, C6H6, BF3, NO3-, CO32-

    sp3, d3s4Тетраэдрическая

    CH4, ClO4-, SO42-, NH4+

    dsp24Плоскоквадратная[Ni(CN)4]2- [PdCl4]2-
    sp3d5ГексаэдрическаяPCl5, AsF5
    sp3d2, d2sp36ОктаэдрическаяSF6, Fe(CN)63-, CoF63-

    Сама гибридизация не является реальным физическим процессом, а только удобной моделью, позволяющей объяснить электронное строение молекул, в частности гипотетические видоизменения атомных орбиталей при образовании ковалентной химической связи, в частности, выравнивание длин химических связей и валентных углов в молекуле.

    Концепция гибридизации с успехом была применена для качественного описания простых молекул, но позднее была расширена и для более сложных. В отличие от теории молекулярных орбиталей, эта концепция не является строго количественной, например она не в состоянии предсказать фотоэлектронные спектры даже таких простых молекул как вода. В настоящее время модель гибридизации АО используется в основном в методических целях и в синтетической органической химии.