Одна s- и три р-орбитали смешиваются, и образуются четыре равноценные по форме и энергии sp³-гибридные орбитали.
Орбитальная модель атома в sp³-гибридизованном состоянии.
VRML-модель (109,8 Кб).

Для атома углерода и других элементов 2-го периода этот процесс происходит по схеме:
2s + 2p_x + 2p_y + 2p_z = 4 (2sp³)

Схема sp³-гибридизации атомных орбиталей.

Оси четырех sp3-гибридных орбиталей направлены к вершинам правильного тетраэдра. Тетраэдрический угол между ними равен 109°28', что соответствует наименьшей энергии отталкивания электронов. Идею о направленности единиц сродства (валентностей) атома углерода по углам тетраэдра выдвигали Пастер (1844г.), Бутлеров (1862), Кекуле (1867) и др. Для объяснения оптической изомерии эти идеи были предложены независимо друг от друга в 1874 г. Вант-Гоффом и Ле Белем. sp3-Орбитали могут образовывать четыре σ-связи с другими атомами или заполняться неподеленными парами электронов.

---

Как наглядно изобразить пространственное строение атома в sp³-состоянии на рисунке? В этом случае sp³-гибридные орбитали изображают не электронными облаками, а прямыми линиями или клиньями в зависимости от пространственной ориентации орбитали. Такое схематическое изображение используется при написании стереохимических (пространственных) формул молекул.

Переход от орбитальной модели (а) к пространственной формуле (б).
Иллюстрация

На примере молекулы метана показаны объемные модели и пространственная (стереохимическая) формула молекулы с sp³-углеродным атомом:

	3D модель молекулы метана
Этан H3C–CH3 Модели молекулы       3D анимация

Углерод в sp³-гибридном состоянии находится в простом веществе алмазе – одной из аллотропных форм углерода

• VRML-модель кристаллической решетки алмаза  (иллюстрация: вид в oкне программы просмотра 3D-объектов FreeWRL).
• VRML-модель адамантана (иллюстрация).
• Стереохимическая (скелетная) формула адамантана.

Это состояние характерно для атомов С, N, O и др., соединенных с другими атомами одинарными связями (sp³-атомы выделены красным цветом): СH₄,  RCH₃,  NH₃,  RNH₂,  H₂O,  ROH,  R₂O; а также анионам типа:    R₃C:^–,    RO^–   и т.п.

Следствием тетраэдрического строения sp³-атома является возможность существования двух оптических стереоизомеров у соединения, содержащего такой атом с четырьмя разными заместителями (Вант-Гофф, Ле Бель, 1874).