5. Гибридизация атомных орбиталей

Атомные орбитали одного энергетического уровня, например s- и p-АО, с различной симметрией в свободном атоме при образовании химической связи с другими атомами могут приобретать одинаковую форму. Этот процесс называется гибридизацией АО. Идею о гибридизации орбиталей в атоме выдвинул Полинг в 1931 г.

Пусть в некотором атоме одна s- и одна p-АО одного энергетического уровня участвуют в образовании двух ковалентных связей с атомами-партнерами. При этом орбитали центрального атома меняют свою симметрию так, что обе становятся одинаковыми по форме рис. 13 СЛ.15.

Рис. 13. Гибридизация одной s- и одной p-АО: а — образование двух гибридных sp-орбиталей; б — геометрическая форма одной гибридной АО; в — условное изображение гибридной орбитали — связывающий «лепесток»

Такие орбитали называют гибридными рис. 13б; их часто условно изображают в виде связывающих «лепестков» рис. 13в. Две гибридные орбитали располагаются в пространстве так, как показано на рис. 13а.

Рис. 14. Типы гибридизации: (а) – sp², (б) — sp³ СЛ.16.

По числу участвующих в гибридизации атомных орбиталёй различают следующие, наиболее распространенные типы гибридизации:

sp-гибридизация одной s- и одной p-АО (рис. 13а)

sр²-гибридизация одной s- и двух p-АО (рис. 14а)

sр³-гибридизация одной s- и трех p-АО (рис. 14б)

Число орбиталей в результате их гибридизации не изменяется. На одном энергетическом уровне центрального атома могут быть:

две sр-гйбридных и две p-АО;

три sр²-гибридных и одна p-АО;

четыре sр⁸-гибридных АО

Взаимная направленность гибридных орбиталей, которые всегда формируют -составляющие ковалентной связи (иначе, -связи), различна в зависимости от их числа.

Стереометрическое расположение осей валентных гибридных орбиталей центрального атома после образования связей с атомами-партнерами характеризуется углом между связями, или валентным углом.

Две sр²-гибридные орбитали некоторого центрального атома лежат на одной оси и имеют противоположное направление от ядра атома; угол между осями sp-гибридных орбиталей равен 180° (рис, 13а).

Три sp-гибридные орбитали имеют оси, лежащие в одной плоскости, и направлены в вершены равностороннего (правильного) треугольника; углы между осями sp²-гибридных орбиталей составляют 120° (рис. 14а).

Четыре sр³-гибридные орбитали имеют оси, лежащие в пространстве под углами 109,5°; они Направлены в вершины правильного (идеального) тетра-эдра (рис. 14б).

Рис. 15. Геометрическая форма молекул ВеН₂ — линейная (а), А1Н₃ — тригональная (б) и SiН₄ — тетраэдрическая (в) СЛ. 17.

П р и м е р ы:

1. Перекрывание sp-гибридных орбиталей атома бериллия с 1s-АО двух атомов водорода приведет к образованию линейной молекулы гидрида бериллия ВеН₂; валентный угол Н—Ве—Н в молекуле ВеН₂ равен 180° (рис. 15,а).

2. Перекрывание sр²-гибридных орбиталей атома алюминия с 1s-АО трех атомов водорода приводит к образованию треугольной молекулы гидрида алюминия А1Н₃ (рис. 15б), в которой валентный угол Н—А1—Н равен 120°.

3. При перекрывании sр³-гибридных орбиталей атома кремния с 1s-АО четырех атомов водорода образуется тетраэдрическая молекула силана SiH₄ (рис. 15в), в которой угол Н—Si—Н равен 109,5°.

Другие примеры соединений с указанными типами гибридизации орбиталей центрального атома см. в табл. 2 СЛ 18,19.

Таблица 2.