18.8. Гібридизація орбіталей

У багатьох випадках для складних молекул необхідно додатково враховувати орбіталі збуджених молекулярних станів. При не дуже великих різницях в енергіях цих станів може відбуватись їхня гібридизація (від лат. слова hibrida – суміш).

Гібридизовані стани описують лінійною комбінацією окремих станів, що гібридизуються. Такі змішані (гібридизовані) стани молекул іноді бувають більш стабільними. На рис.18.11 наведена схема утворення гібридної -орбіталі, а на рис.18.12 наведено більш детально розподіл електронної густини при змішуванні орбіталей. Електронна густина, яка визначається квадратом хвильової функції завжди позитивна, проте зручно кожній області гібридної орбіталі приписувати знак “+” або “-” від знаку самої хвильової функції в цій області. Існують й інші типи гібридизацій, наприклад, за участю -орбіталей.

Найбільш чітко гібридизація спостерігається в численних сполуках вуглецю, в яких він реагує іншими атомами як чотирьохвалентний атом, тоді як у не збудженому стані він реагує як двохвалентний атом.

Гібридизовані орбіталі здебільшого направлені, тому за допомогою гібридних орбіталей утворюються різноманітні просторові молекули. Розглянемо деякі приклади гібридизованих орбіталей для найпростіших сполук вуглецю.

Рис.18.11. Гібридна -орбіталь: а – контурна діаграма електронної густини, б – гранична поверхня, в – зв’язуюча пелюстка, г - -орбіталі вуглецю.

Рис.18.12. Контури електронної густини: 1)- , 2)- , 3).- Знаки “-” і “+” - це полярність хвильової функції.

Вуглець у не збудженому стані має електронну конфігурацію . У цьому стані лише 2 електрони оболонки можуть утворювати хімічний зв’язок, тому що 4 електрони оболонок і утворюють дві зв’язуючі й дві розрихляючі молекулярні орбіталі, які компенсують одна одну, і не беруть участі в утворенні молекули. Проте один з електронів атома вуглецю, що знаходиться в не збудженому стані на -оболонці, може збудитись, перейти на -оболонку й утворити разом із двома електронами, що знаходились на цій оболонці в не збудженому стані, складні гібридизовані орбіталі. При цьому може утворюватись три різних випадки гібридизованих орбіталей: 1) - лінійна, 2) – тригональна (трикутна) і 3) - тетраедрична орбіталі (рис.18.13).

Рис.18.13. Гібридизації: 1 – лінійна, 2 – плоска (трикутна), 3 – об’ємна (тетраедрична).

У першому випадку лінійної sp-гібридної орбіталі змішується -орбіталь з однією з 3-х р-орбіталей, а останні дві -орбіталі залишаються незайманими. Утворюється чотирьохвалентний вуглець, у якому виникають 2 гібридизовані -орбіталі й 2 незайняті – орбіталі (рис.18.11 і 18.12). За допомогою -орбіталей утворюється молекула ацетилену , яка має потрійний зв’язок: 2 - і 1 -звязок. Вона наведена на наступному рис.18.14.

Рис.18.14. Схема - та - зв’язків у випадку - гібридизації в молекулі ацетилену .

У другому випадку тригональної sp²-гібридизації змішуються дві - і одна -орбіталь, що призводить до утворення трьох -гібридизованих орбіталей і однієї не гібридизованої -орбіталі. Утворюється так званий тригональний вуглець. Прикладом молекули із трьома - гібридизованими орбіталями є молекула етилену .

Рис.18.15. Схема sp гібридизації молекули етилену із подвійним - та - зв’язком: а) – загальний вигляд, б) – вигляд зверху.

Рис.18.16. Структурні формули фумарових кислот: 1 – транс - і 2 -цис.

Її схема наведена на рис.18.15. Молекули (ацетилену) і (етилену) жорсткі відносно обертання навколо осі, що проходить крізь ядра атомів вуглецю, бо для обертання потрібно витрачати додаткову енергію для розриву -зв’язку. Ця обставина дає можливість розрізняти цис- та транс- сполуки, що є добре відомим для хіміків фактом.

Приклади структурних формул ізомерів фумарової кислоти наведені на рис.18.16. Для того, що здійснити перехід від цис- до трансфумарової кислоти, потрібно подіяти світлом, тобто здійснити фотохімічну ізомеризацію. Під дією світла відбувається таутомірне перетворення, внаслідок якого молекула збуджується, і подвійний зв'язок перетворюється в одиночний зв'язок. Це полегшує обертання частини молекули навколо осі, яка проходить через атоми вуглецю.

У третьому випадку тетрагональної sp³ - гібридизації змішуються одна - і три - орбіталі, що призводить до утворення тетрагонального вуглецю із чотирма sp- орбіталями (рис.18.17). Типовим прикладом сполуки з sp³-гибридизованим вуглецем є насичена сполука .

Рис.18.17. Схема sp³ гібридизації.

Її структура схематично зображена на рис.18.18.

Рис.18.18. Молекула метану СН₄.

Особливе місце займають сполуки, у яких утворюються бензольні кільця. Найпростішою із цих сполук є молекула бензолу . Вона утворюється за допомогою 6-ти тригонально гібридизованих орбіталей вуглецю. Схема утворення молекулярних зв’язків цієї молекули зображена на рис.18.19. Перекриття 12 гібридних sp²-орбіталей 6 атомів вуглецю, локалізованих на площині, утворюють між собою 6 - зв’язків, а останні 6 sp²-орбіталей С утворює - зв’язки з - орбіталями 6 атомів водню (а). Кожний атом з 6 атомів має -орбіталь, яка зайнята одним електроном (б). Вони утворюють 6 молекулярних -орбіталей бензолу, локалізованих у площинах перпендикулярних до площини локалізації атомів С (в). Три зв'язуючі орбіталі складають неперервний розподіл електронної густини навколо молекули, яка утворюється з 6 нелокалізованих електронів. Усі шість молекулярних орбіталей можна скомбінувати за допомогою шести можливих способів і отримати 3 зв’язуючих і 3 розрихляючих -орбіталі. Зв’язуючі орбіталі, що мають найменші енергії, зайняті електронами. При цьому утворюється неперервний розподіл електронної густини, локалізований вище й нижче площини бензольного кільця. Виявляється, що шість електронів належать усій молекулі бензолу, а не будь-якій виділеній парі електронів. Ці електрони називаються нелокалізованими.

Рис.18.19. Молекула бензолу .