Виды гибридизации

В методе валентных связей для предсказания геометрического строения молекул типа и значений валентных углов применяют идею гибридизации атомных орбиталей (АО).

Гибридизация – это выравнивание (усреднение) энергии у атома А различных атомных орбиталей в результате смешения (гибридизации) перед химическим воздействием (или в процессе), что приводит к образованию гибридных орбиталей, направленных в сторону образующейся связи.

Гибридизация не является реальным физическим явлением. Она представляет собой условный прием, позволяющий предсказать структуру молекулы при помощи комбинации АО.

В гибридизации могут участвовать только те АО, энергии которых достаточно близки; например, 1s – атомные орбитали не участвуют в образовании 2s- и 2p-атомных орбиталей. В результате гибридизации энергии атомных орбиталей с разным значением орбитального квантового числа l выравниваются, что приводит к образованию равноценных σ- связей. Длина и энергия всех связей в молекуле А-В становятся равными.

В гибридизации могут участвовать вакантные АО, орбитали с неспаренными электронами и неподеленными электронными парами. Атомные орбитали, не имевшие электронов в основном состоянии атома либо ставшие вакантными при перераспределении электронов в процессе образования молекулы, могут не участвовать в гибридизации, если для них не хватает σ- активных электронных пар. Такие АО приобретают другое значение энергии и частично или полностью включаются в образование делокализованных π-связей.

В результате гибридизации появляются новые гибридные орбитали, которые ориентируются в пространстве таким образом, чтобы после их перекрывания с орбиталями других атомов электронные пары оказались максимально удаленными друг от друга. Такое состояние молекулы будет отвечать минимуму энергии межэлектронного отталкивания.

Каждому виду гибридизации АО соответствует определенная геометрическая форма молекулы, образованная σ-связями, создающими жесткий скелет частицы, в электростатическом поле которого, в случае кратных связей движутся делокализованные пары π- электронов.

sp-гибридизация. Подобный тип гибридизации возникает при образовании атомов двух связей за счет электронов, находящихся на s- и p- орбиталях и обладающих близкой энергией. Этот тип гибридизации характерен для молекул типа . Например, рассмотрим структуру молекулы . Атом бериллия имеет в нормальном состоянии во внешнем слое два спаренных s- электрона. В результате возбуждения один из s- электронов переходит в p- состояние – появляются два неспаренных электрона, отличающиеся формой орбитали и энергией. При образовании химической связи они преобразуются в две одинаковые sp-гибридные орбитали, направленные под углом друг к другу.

-гибридизация. Этот тип гибридизации имеет место в частицах состава . Комбинация трех орбиталей – одной s- и двух p- типа приводит к образованию трех - гибридных орбиталей, расположенных в одной плоскости под углом . Под таким углом располагаются и σ связи, образованные с участием электронов этих орбиталей. Форма молекул и ионов – треугольная (плоская).

- гибридизация . Гибридизация одной s- и трех p- орбиталей характерна для частиц состава . Комбинация четырех орбиталей – одной s- и трех p-типа – приводит к - гибридизации, при которой четыре гибридные орбитали симметрично ориентированы в пространстве под углом к четырем вершинам тетраэдра.

При наличии одной или нескольких гибридных орбиталей с парой электронов или с неспаренным электроном геометрическая форма называется незавершенной. Например, рассмотрим строение молекулы . У атома азота на четырех гибридные орбитали приходится пять электронов.

Следовательно, одна пара жлектронов оказывается несвязывающей и занимает одну из - гибридных орбиталей, направленных к вершине тетраэдра. Молекула имеет форму тригональной пирамиды.

У атома кислорода на четыре - гибридные орбитали приходится шесть электронов: две навязывающие электронные пары занимают две гибридные - орбитали. Молекула имеет угловую форму.

Форму описанных выше молекул можно объсянить с позицией модели взаимного отталкивания электронных пар (Гиллеспи). Согласно этой теории неподеленная электронная пара занимает больший объём, чем поделенная и потому отталкивание при наличии таких пар проявляется в большей степени, что и приводит к снижению валентного угла, особенно в случае молекулы воды.

В гибридизации кроме s- и p- могут участвовать и d- орбитали, которые, выравниваясь по форме и энергии с s- и p- электронными облаками, приобретают напрвленность в пространстве к вершинам тригональной бипирамиды или октаэдра. В этих случаях в образовании σ-связей участвуют гибридные - орбитали для частиц состава ( например, ) и ( ).

В первом случае форма молекулы – тригонально-бипирамидальная (α= β= ), во втором – октаэдрическая (α ).