2.2. Гибридизация атомных орбиталей

Изучение таких молекул, как ВеСI₂, BCI₃ , СН₄ , показало, что все связи в них равноценны, несмотря на то, что в образовании их участвуют различные орбитали центрального атома. Слейтер и Полинг объяснили это явление тем, что орбитали различной симметрии, не сильно отличающиеся по энергиям, образуют гибридные орбитали.

Гибридизация - это процесс перераспределения электронных плотностей близких по энергии орбиталей, который приводит к их полной равноценности.

Число гибридных орбиталей равно числу орбиталей, участвующих в гибридизации. Гибридные орбитали более вытянуты в направлении образования химических связей и поэтому обусловливают лучшее перекрывание электронных облаков. По числу участвующих в гибридизации атомных орбиталей различают следующие, наиболее распространенные типы гибридизации: sp -, sр² - и sр³.

Гибридизация одной s - и одной р -электронных орбиталей приводит к образованию двух гибридных sp - орбиталей (рис. 9).

s – орбиталь и p - орбиталь → 2 гибридные sp -орбитали

Рис. 9. Образование sp - гибридных орбиталей

Относительно друг друга две гибридные sp - орбитали расположены под углом 180°, поэтому молекулы с таким видом гибридизации линейны, две связи в них расположены по прямой и противоположно направлены от ядра (рис. 10).

Рис. 10. sp – гибридизация

Гибридизация одной s - и двух р - электронных орбиталей приводит к образованию трех гибридных sр² - орбиталей. Эти три гибридные орбитали расположены в одной плоскости и направлены в вершины равностороннего треугольника; углы между осями sр² – гибридных орбиталей составляют 120° (рис. 11).

Рис. 11. sp² - гибридизация

Рис. 12. sp³ - гибридизация

Гибридизация одной s - и трех р - электронных орбиталей приводит к образованию четырех гибридных sр³ - орбиталей. В этом случае четыре гибридные орбитали имеют оси, лежащие в пространстве под углами 109,5^о; они направлены к вершинам правильного тетраэдра (рис. 12).

Таким образом, тип гибридизации определяется видом и количеством участвующих в гибридизации электронных орбителей (см. табл.6).

Таблица 6

Типы гибридизации и геометрия молекул

Тип моле-кулы	Тип гибри-дизации	Число гибридных орбиталей атома А	Геометрия молекул	Валент-ные углы	Примеры
АВ2	sp (s+p)	2	линейная	180о	BeF2, CO2, C2H2
АВ3	sp2 (s+2p)	3	плоская	120о	BCl3, AlF3, C2H4
АВ4	sp3 (s+3p)	4	тетраэдри-ческая	109,5о	H2O, NH3, SiH4, CCl4, CH4,

Пример 1. Перекрывание sp – гибридных орбиталей атома бериллия с 1s – АО двух атомов водорода приводит к образованию линейной молекулы гидрида бериллия BeH₂; валентный угол H-Be-H в молекуле BeH₂ равен 180^о (рис. 13 ).

Рис. 13. Пространственная конфигурация молекулы BeH₂

Пример 2. Перекрывание sp² – гибридных орбиталей атома бора с 1s – АО трех атомов водорода приводит к образованию треугольной (тригональной) молекулы гидрида бора BH₃; валентный угол H – B – H в молекуле BH₃ равен 120^о (рис. 14).

Рис. 14. Пространственная конфигурация молекулы BH₃

Пример 3. Перекрывание sp³ – гибридных орбиталей атома кремния с 1s – АО четырех атомов водорода приводит к образованию тетраэдрической молекулы силана SiH₄; валентный угол H-Si-H равен 109,5^о (рис. 15).

Рис. 15. Пространственная конфигурация молекулы SiH₄

Разные по составу молекулы СН₄, NH₃ и H₂O имеют одинаковое пространственное расположение связей. Этот факт подтверждает гибридизацию орбиталей. Атомы углерода, азота и кислорода в указанных молекулах находятся в состоянии sp³ - гибридизации.

Молекула аммиака. В невозбужденном состоянии центральный атом азота в молекуле аммиака NH₃ имеет 1s² 2s² 2p³ - электронную конфигурацию.

Графическая схема распределения электронов по энергетическим ячейкам представлена схемой на рис. 16, согласно которой могут образоваться три взаимно перпендикулярные связи с тремя атомами водорода. Однако в действительности валентные углы в аммиаке равны 107^о при тетраэдрическом их расположении. Азот в молекуле аммиака находится в sp³–гибридном состоянии. При этом гибридизуются 2s – орбиталь, заполненная парой электронов и три 2p – орбитали, имеющие по одному электрону. В результате получается четыре sp³ – гибридных орбитали, из которых одна содержит неподеленную пару электронов. Остальные три гидридные орбитали перекрываются с орбиталями трех атомов водорода. Неподеленная пара электронов находится в одной из вершин тетраэдра, а атомы водорода расположены в вершинах основания тетраэдра, т.е. находятся в одной плоскости (рис. 16).

Рис. 16. Пространственная конфигурация молекулы NH₃

Молекула воды. В молекуле воды H₂O центральным атомом является атом кислорода, который в невозбужденном состоянии имеет следующую электронную конфигурацию: 1s²2s²2p².

Кислород в молекуле воды также находится в состоянии sp³ – гибридизации (рис. 17).

Рис. 17. Пространственная конфигурация молекулы Н₂О

Рис. 18. Тетраэдрическое расположение связей в молекуле воды

В отличие от молекулы аммиака, в молекуле воды имеются две гибридные орбитали с неподеленными парами электронов и две гибридные орбитали, имеющие по одному электрону. Валентный угол между связями равен 104,5^о при тетраэдрическом их расположении (рис. 18).

У рассмотренных молекул аммиака и воды углы между связями отклоняются от тетраэдрического 109^о29^′ и прямого 90^о. Это обусловлено различием сил взаимного отталкивания орбиталей, заполненных только парой электронов, и орбиталей, перекрывающихся с атомами водорода. Орбитали с парой электронов, т.е. не имеющие области перекрывания, обладают бόльшим отталкивающим эффектов по сравнению с орбиталями, образующими связь.

В молекуле NH₃ имеется одна sp³ – гибридная орбиталь, заполненная парой электронов, и она отталкивает в направлении от себя три остальные орбитали связи N - H, уменьшая угол до 107^о. В молекуле H₂O - две орбитали с парами электронов. Их влияние на орбитали связи еще сильнее, и угол H-O-H уменьшается до 104,5^о.