Гибридизация атомных орбиталей

Из курса общей химии известно, что в соединениях трёхвалентного азота (NH₃), двухвалентного кислорода (Н₂О) и одновалентного галогена (HCl) в образовании ковалентных связей участвуют р -орбитали атомов N, O и Cl.

Что же касается соединений четырёхвалентного атома углерода, то не удаётся адекватно объяснить, почему неравноценные по исходному состоянию электроны (один 2s и три 2р) образуют четыре энергетически равноценные связи в СН₄ или CCl₄.

Если учитывать пространственную направленность, например, р -орбиталей, то можно понять, что наиболее прочная ковалентная связь образуется при таком их расположении, которое гарантирует наибольшее перекрывание.

Для четырёхвалентных атомов Лайнус Полинг предложил своеобразный компромисс, введя понятие о гибридизации атомных орбиталей.

Следует иметь в виду, что данное понятие (но не явление) используется как удобный математический приём для объяснения различных комбинаций атомных орбиталей и более удобного описания химической связи.

Итак, гибридизация – это комбинация («смешение») атомных орбиталей разных типов, но близких по энергетическому состоянию.

В результате гибридизации формируется набор эквивалентных, гибридных орбиталей, отличающихся от исходных как по форме, так и энергии. Так, при гибридизации одной s - и трёх р -орбиталей образуются четыре sp³ -гибридные орбитали; одной s - и двух р -орбиталей – три sp² -гибридные орбитали; одной s - и одной р - - две sp -гибридные орбитали. Следовательно, число гибридных орбиталей всегда равно числу исходных негибридных орбиталей. Состояние электронов на гибридных орбиталях описывается не чистыми s -, p -, d- функциями, а смешанными, или гибридными волновыми.

На рис.2.2., показаны различные типы гибридизации атомных орбиталей.

Рисунок 2.2. Гибридизация атомных орбиталей

Необходимо отметить ряд важных особенностей, связанных с гибридизацией АО:

- гибридные орбитали позволяют пользоваться представлениями о локализованных двухэлектронных двуцентровых связях;

- связь, осуществляемая с участием гибридных орбиталей, значительно прочнее, поскольку перекрывание происходит в большей степени, чем при участии негибридных орбиталей;

- пространственная направленность гибридных орбиталей определяет геометрию молекул.