4.6. Представление о гибридизации атомных орбиталей.

Рассмотрим строение молекулы соединения бериллия с водоро-дом BeH₂(гидрид бериллия), в котором водород имеет валентностьI, а бериллий валентностьII.

Графическое изображение молекулы BeH₂:

H^I ― Be^II― H^I.

В этом соединении атом водорода ₁H1s¹ , в котором единственный электрон расположен на сферической атомной орбитали, соединяется с атомом бериллия.

Электронно-графическая формула атома водорода :

Форма орбитали атома водорода:

Электронная формула атома бериллия: ₄Bе 1s²2s²

Электронно-графическая формула

и форма орбитали атома

бериллия:

Как видно из электронно-графической формулы, атом бериллия не имеет неспаренных электронов и валентность бериллия в основном состоянии равна нулю. Валентность, равную двум, атом бериллия, проявляет в возбужденном состоянии ₄Bе٭ 1s²2s¹ 2р¹:

Электронно-графическая формула атома бериллия

в возбужденном состоянии:

Валентность II

2

1

Sp

s

Таким образом, у атома бериллия в образовании химической связи должны были бы участвовать электроны, находящиеся на двух разных атомных орбиталях 2sи 2pи имеющих различную форму и различную энергию. Однако, энергии каждой из двух связей в мо-лекулеBeH₂имеют одинаковые значения. Выравнивание энергий различных атомных орбиталей обусловлено явлениемгибридиза- ции.

Гибридизация это явление, при котором из двух или большего числа атомных орбиталей различных энергий и различной формы образуется такое же число видоизмененных орбиталей, обладающих одинаковой энергией.

В нашем случае, в гибридизации участвуют атомные орбитали одного s- и одногоp-электроновsp-гибридизация  (рис. 4.19).

s-орбиталь p-орбиталь две sp-гибридных орбитали

Рис. 4.19. Формы исходных и гибридизованных орбиталей атома бериллия.

При такой гибридизации образуются 2 гибридные орбитали, которые расположены на одной оси и ориентированы друг к другу под углом 180° (рис. 4.20).

180⁰

Рис. 4.20. Расположение двух и sp- гибридизованных орбиталей в пространстве.

Такое расположение гибридных орбиталей определяет линейную форму молекулы. Две сферических орбитали двух атомов водорода перекрываются с двумя  sp-гибридными орбиталями бериллия (рис. 4.21).

Рис. 4.21. Перекрывание атомных орбиталей в молекуле BeH₂

Примеры химических соединений, для которых характерна sp-гибридизация: BeCl₂, BeH₂,CO,CO₂,HCN. Такжеsp-гибридизация наблюдается во всех ацетиленовых углеводородах (алкинах) и некоторых других органических соединениях.

В sp²-гибридизацииучаствуют атомные орбитали одногоs- и двухp-электронов (рис. 4.22).

s-орбиталь две p- орбитали три sp²-гибридных орбитали

Рис. 4.22. Формы орбиталей при sp²-гибридизации.

Врезультате гибридизации образуются три гибридныеsp²-орби-тали, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу (рис. 4.23).

120⁰

Рис. 4.23. Расположение орбиталей в пространстве при sp²- гибридизации.

Форма молекулы, имеющей три гибридные sp²-орбитали представляет собой плоский треугольник. Такую форму имеет, например, молекула хлорида алюминияAlCl₃. Схема перекрывания электронных орбиталей в этой молекулы показана на рис. 4.24.

Примерами других соединений, в которых имеет место sp²-гиб-ридизация, являются молекулы:BCl₃,SO₃,BF₃и ионы:,. Кроме того,sp²-гибридизация характерна для всех этиленовых углеводородов (алкенов), карбоновых кислот, ароматических углеводородов (аренов) и других органических соединений.

Рис. 4.24. Перекрывание атомных орбиталей в молекуле AlCl₃

Например в молекуле этилена (C₂H₄), оба атома углерода, находящиеся в возбужденном состоянии (sp²-гибридизация) связаны друг с другом двойными химическими связями, образуя одну σ-связь и одну π-связь. Еще по две σ-связи каждый атом углерода образует при соединении с атомами водорода.

В sp³-гибридизациипринимают участие однаs- и триp- атомные орбитали (рис.4.25).

Рис. 4.25. Образование sp³-гибридных орбиталей.

Из четырех обычных атомных орбиталей образуется такое же число видоизмененных гибридных орбиталй, которые симметрично ориентированны в пространстве под углом 109°28'. Пространственная конфигурация молекулы, центральный атом которой образован sp³-гибридными орбиталями – тетраэдр.

Схема перекрывания электронных облаков в молекуле метана (CH₄), в которой атом углерода находится вsp³-гибридизации представлена на рис. 4.26.

Примеры соединений, для которых характерна sp³-гибридизация:NH₃, POCl₃, SO₂F₂, SOBr₂, NH⁴⁺, H₃O⁺. Такжеsp³-гибридизация наблюдается во всех предельных углеводородах (алканы, циклоалканы), некоторых других органических соединениях.

Рис. 4.26. Схема перекрывания электронных облаков в молекуле метана CH₄

Следует иметь в виду, что не всегда пространственная конфигурация молекулы, имеющей sp³тип гибридизации соответствует тетраэдру.

Например, в молекуле аммиака (NH₃) валентность атома азота равна III и его пять электронов внешнего уровня занимают четыре орбитали (однуsи триp). Все они принимают участие в гибридизации (тип гибридизации –sp³), но только три орбитали (р-орбитали) принимают участие в образовании химической связи. Тетраэдр без одной вершины превращается в пирамиду. Поэтому у молекулы аммиака форма молекулы пирамидальная, угол связи искажается до 107°30′. Аналогичные рассуждения о строении молекулы воды (H₂O) приводят нас к тому, что кислород находится вsp³гибридном состоянии, а форма молекулы угловая, угол связи составляет 104°27′.