Гибридзация атомных орбиталей.

Рассмотрим образование молекулы метана СН₄. Атом углерода в возбужденном состоянии обладает четырьмя неспаренными электронами: одним s-электроном и тремя p-электронами — 1s²2s²2p³.

Рассуждая аналогично тому, как в случае Н₂О или NН₃, можно было бы предполагать, что атом углерода будет образовывать три связи С-Н, направленные под прямым углом друг к другу (р-электроны), и одну связь, образованную s-электроном, направление которой было бы произвольным, поскольку s-орбиталь имеет сферическую симметрию.

Тогда следовало ожидать, что три связи С-Н в СН₄ окажутся направленными р-связями и совершенно одинаковыми, а четвертая связь есть ненаправленная s-s-связь и отличается от первых трех.

Однако экспериментальные данные показали, что все четыре связи С-Н в молекуле метана СН₄ одинаковы и направлены к вершинам тетраэдра (угол между ними составляет 109,5°).

Объяснение этого факта впервые было дано американским химиком Л. Полингом. Ввиду относительной близости значений энергии 2s- и 2р-электронов, эти электроны могут взаимодействовать между собой в ходе образования химической связи с электронами другого атома, давая четыре новых равноценных гибридных электронных облака.

Четыре совершенно одинаковые sp³-гибридные орбитали атома углерода расположены под углом 109,5° друг к другу и направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится  атом углерода.

На рисунке видно, что гибридная орбиталь сильно вытянута в одну сторону от ядра.

Это обусловливает более сильное перекрывание гибридных орбиталей с орбиталями электронов других атомов по сравнению с перекрыванием «обычных» s- и р-орбиталей и приводит к образованию более прочных связей.

Гибридизация оказывается характерной не только для соединений атома углерода. Гибридизация орбиталей происходит всегда, когда в образовании связей участвуют электроны, надлежащие к различным типам орбиталей.

Рассмотрим примеры различных видов гибридизации s- и p-орбиталей. Гибридизация одной s- и одной р-орбиталей (sp-гибридизация) происходит при образовании молекул галогенидов элементов II группы (Be, Mg, Zn и др.). Атомы этих элементов в основном состоянии имеют на внешнем слое два спаренных s-электрона. В результате возбуждения один из электронов s-орбитали переходит на близкую по энергии р-орбиталь, т.е. появляются два неспаренных электрона, один из которых занимает s-, а другой р-орбиталь. При возникновении химической связи эти две различные орбитали превращаются в две одинаковые гибридные орбитали (тип гибридизации - sp), направленные под углом 180° друг к другу, т.е. эти две связи имеют противоположное направление.

Экспериментальное определение структуры молекул ВеХ₂, ZnХ₂, HgX₂ и т.д.(Х — галоген) показало, что эти молекулы действительно являются линейными.

Остановимся подробнее на структуре молекулы ацетилена С₂Н₂. В молекуле ацетилена каждый атом углерода находится в sp-гибридном состоянии, образуя две гибридные связи, направленные под углом 180° друг к другу. Как в случае связей С-С, так и в случае связей С-Н возникает общее двухэлектронное облако, образующее σ-связи. σ-связью называют связь, возникающую при обобществлении электронных облаков двух атомов, если облака перекрываются по линии, соединяющей атомы.

Но в молекуле ацетилена в каждом из атомов углерода содержится еще по два р-электрона, которые не принимают участия в образовании σ-связей. Молекула ацетилена имеет плоский линейный «скелет», поэтому оба р-электронных облака в каждом из атомов углерода выступают из плоскости молекулы в перпендикулярном к ней направлении. При этом происходит также некоторое взаимодействие электронных облаков, но менее сильное, чем при образовании σ-связей. В итоге, в молекуле ацетилена образуются еще две ковалентные углерод-углеродные связи, называемые π-связями .

В общем случае π-связью можно назвать ковалентную связь, образованную при перекрывании атомных орбиталей вне линии, соединяющей атомы.

σ-cвязи являются более прочными, чем π-связи, чем объясняется большая реакционная способность непредельных углеводородов по сравнению с предельными.

Еще один вид гибридизации s- и р-орбиталей осуществляв в соединениях бора, алюминия или углерода (этилен, бензол). Возбужденный атом бора имеет три неспаренные электрона - один s- и два p-электрона. В этом случае при образовании соединений бора происходит гибридизация одной s- и двух р-орбиталей (sp²-гибридизация), при этом образуются три одинаковые sp² - гибридные орбитали, расположенные под углом 120° друг к другу .

Действительно, эксперименты показали, что такие соединения, как ВF₃, АlCl₃, а также этилен и бензол имеют плоское строение, и все три связи В-F, например, в молекуле ВF₃ распо­ложены под углом 120° друг к другу.

Посредством образования sp²-гибридных орбиталей как раз и объясняются структуры непредельных углеводородов с двойными связями. Например, для такой молекулы, как этилен, схематично можно изобразить следующую структуру .

Как видно, у каждого атома углерода есть σ-связи, образованные sp²-гибридными облаками, кроме того, между атомами углерода образуется π-связь за счет перекрывания p-орбиталей. Таким образом, двойные углерод-углеродные связи состоят из одной σ- и одной π-связи.