3.5. Смешение атомных орбиталей одного атома при образовании химической связи

До сих пор в основном рассматривалось образование химической связи между двумя атомами, “поставляющими” по одной орбитали с переменным числом электронов. Однако, для большинства атомов в образовании химической связи участвует сразу несколько АО каждого атома. Так в случае BeCl2 одна из связывающих МО имеет вид:

где вклады остальных орбиталей равны нулю.

Орбитали - это обычные математические функции, некоторые из которых могут менять знак в начале координат. s-АО не меняет знак - она положительна, а p- АО меняет знак (рис.3.8):

Рис. 3.8. s- и p- атомные орбитали.

В области положительных значений оси x px - АО положительна (>0), а в области отрицательных - отрицательна (<0). Суммарный вклад этих орбиталей получается простым алгебраическим суммированием данных функций:

s(Be) + px(Be)

Это как бы отвечает образованию некоторой обобщенной орбитали атома (рис.3.9), что исторически первым было определено как явление гибридизации АО (в методе ВС). В методе же МО такое смешение АО является неотъемлемым свойством. При этом взаимодействии (смешиваются, гибридизируются) не любые орбитали, а орбитали близких энергий и подходящей симметрии.

Рис. 3.9. Образование обобщенной (гибридной) орбитали атома.

В этом заключается еще одно положение метода МО. Так смешение АО отвечает как бы возникновению новых орбиталей - гибридных. Эти гибридные орбитали являются энергетически невыгодными для движения электронов в атоме, но они более выгодны при образовании химической связи. Последнее связано с асимметричной формой электронного облака гибридной орбитали, которая преимущественно локализована в направлении химической связи. В результате обеспечивается его перекрывание с электронным облаком другого атома в большей мере (рис.3.10):

Рис. 3.10. Перекрывание между орбиталями атомов.

Наиболее простые типы гибридизации определяются смешением s- и p- орбиталей электронной оболочки.

sp3-гибридизация - возникает при смешении одной s- и трех p- орбиталей. Гибридные орбитали при этом имеют ориентацию из центра к вершинам тетраэдра с углом между гибридными орбиталями 109,5° (рис.3.11).

Рис. 3.11. sp3- гибридизация.

sp3-гибридизация имеет место для центрального атома в таких соединениях, как: C2H6, CCl4, алмаз, SiCl4, SnCl2, NH4+, BF4-.

sp2-гибридизация возникает при смешении одной s- и двух p-орбиталей. Одна p-орбиталь электронной подоболочки остается неизменной.

Гибридные sp2-орбитали ориентированы из центра к вершинам равностороннего треугольника под углами 120° друг к другу (рис.3.12). Примеры соединений с sp2 -гибридизацией: B(OH)3, BCl3, радикал CH3, C6H6.

Рис. 3.12. sp2- гибридизация.

sp-гибридизация - возникает при смешении одной s- и одной p-орбиталей. Две взаимно перпендикулярно направленные p-АО электронной подоболочки остаются неизменными. Гибридные sp-орбитали располагаются линейно (угол равен 180° ), поэтому молекулы с атомами в таком гибридном состоянии имеют линейную структуру (рис.3.13).

Рис. 3.13. sp- гибридизация.

Данный вид гибридизации орбиталей имеет место для атомов углерода в молекуле ацетилена C2H2, бериллия - в молекуле BeCl2 и других.