2.7. Концепція гібридизації ао

Найчастіше хімічні зв'язки утворюються електронами різних енергетичних станів атома. Наприклад, атом Карбону у збудженому стані має чотири неспарених електрони (один s- і три p-електрони). На основі такої конфігурації можна було б очікувати, що p-електрони атома Карбону утворюють три зв'язки, які напрямлені під кутом 90°. Четвертий зв'язок, утворений електронами, має довільний напрямок, тому що форма s-орбіталі сферична.

Порівняно s-орбіталлю р-орбіталі більш віддалені від ядра, тому мають більшу площу перекривання з орбіталями атомів, які утворюють зв'язок з Карбоном. Зв'язки, утворені p-електронами, повинні бути міцнішими. Експериментально встановлено, що усі чотири зв'язки атома Карбону є рівноцінними.

Наприклад, гібридизована sp-орбіталь, яка виникає при змішуванні s- та р-орбіталей, асиметрична і сильно витягнута з одного боку від ядра (рис. 13). Отже, площа перекривання таких орбіталей буде більшою в порівнянні з перекриванням окремих (чистих) s- і р-орбіталей.

Згідно з теорією гібридизації число гібридизованих орбіталей дорівнює числу вихідних атомних орбіталей.

Характер гібридизації атомних орбіталей та їх просторове розміщення зумовлюють просторову конфігурацію молекул і комплексних іонів.

Гібридизацію валентних орбіталей розглядають на прикладі утворення хімічного зв'язку в молекулах хлориду берилію, хлориду бору та метану.

sp-Гібридизація

Гібридизація однієї s- та однієї р-орбіталі відбувається у атома берилію при утворенні молекули ВеС1₂. Атом берилію утворює хімічні зв'язки у збудженому стані, його електронна конфігурація 2s¹2p¹. Збуджений атом берилію має два неспарених електрони (один s- і один p-електрон).

Гібридизація однієї s- та однієї р-орбіталі призводить до утворення двох .sp-гібридизованих орбіталей, розміщених симетрично під кутом 180°. Зв'язки, які утворюються за участю електронів цих орбіталей, також розміщуються під кутом 180°. Молекула ВеСl₂ має лінійну форму: усі три атоми розміщуються на одній лінії, яка з'єднує центри атомів (рис. 14).

sp-Гібридизація валентних орбіталей відбувається при утворенні галогенідів берилію, цинку, кадмію та ртуті.

sp²-Гібридизація

Крім розглянутого типу можливі й інші типи гібридизації атомних орбіталей і відповідні їм просторові структури молекул. Так, гібридизація однієї s- і двох p-орбіталей характерна для бору в його сполуках. У збудженому стані атом бору має три неспарених електрони — один s- і два р-електрони. Орбіталі цих електронів утворюють три sp²-гібридизовані орбіталі, розміщені в одній площині під кутом 120° (рис. 15). Під таким же кутом розміщуються зв'язки, утворені за участю цих орбіталей. Внаслідок sp²-гібридизації орбіталей атома бору молекули галогенідів бору, ортоборна кислота, триметилбор мають форму плоского рівнобічного трикутника з атомом бору в центрі (рис. 16).

sр³-Гібридизація

У атома Карбону гібридизації підлягають одна s- і три р-орбіталі, внаслідок чого утворюються чотири sp³ -гібридизовані орбіталі.

Чотири гібридизовані орбіталі атома Карбону розміщені під кутом 109°28' і напрямлені до вершин тетраедра, у центрі якого міститься атом Карбону. Перекриванням чотирьох гібридизованих орбіталей атома Карбону та s-орбіталей чотирьох атомів Гідрогену утворюється молекула метану з валентними кутами 109°28' (рис. 18).

sp³-Гібридизацією атомних орбіталей пояснюється рівноцінність чотирьох зв'язків атома Карбону в сполуках СН₄, CF₄, CCl₄, C(CH₃)₄ та їх напрямленість під однаковими (тетраедричними) кутами.

sp³-Гібридизація атомних орбіталей характерна не лише для сполук вуглецю. Внаслідок sp³-гібридизації орбіталей атомів азоту, бору, кремнію та германію тетраедричну структуру мають іони NH₄⁺, ВН₄^- і BF₄^-, молекули гідридів і галогенідів кремнію та германію (SiH₄, SiF₄, GeCl₄ та ін).

У атомів елементів третього і наступних періодів в утворенні зв'язку можуть приймати участь d-орбіталі. Найважливішими випадками гібридизації з їх участю є sp³d-, sp³d²-, d²sp³- і dsp²-гібридизація, яка зумовлює відповідно тригональну, октаедричну і плоску квадратну структури молекул і комплексних іонів.

У наведених прикладах розглянуті молекули, які мають правильні геометричні форми з валентними кутами 180°, 120°. 109°28' і 90°. Доведено експериментально, що зустрічаються молекули і комплекси неправильної форми з іншими валентними кутами. Наприклад, валентні кути у молекулах NH₃ та Н₂О складають 107,3° та 104,5°, що не відповідає розміщенню p-орбіталей під кутом 90°. Близькість цих кутів до тетраедричного вказує на те, що при утворенні молекул NH₃ і Н₂О, як і у випадку утворення молекули метану, відбувається sp³-гібридизація орбіталей атомів азоту та кисню.

У атома Карбона в молекулі метану усі чотири sp³-гібридизовані орбіталі зайняті зв'язуючими електронними парами. Це зумовлює симетричне розміщення електронних хмар атома Карбон просторі і положення атомів водню у вершинах тетраедра.

У молекулі аміаку в атомі Нітрогену одна з чотирьох sp³-гібридизованих орбіталей, напрямлених до вершин тетраедра, містить незв'язуючу електронну пару. Внаслідок відштовхування незв'язуючої електронної пари орбіталями, які містять один електрон, валентний кут у молекулі аміаку менший за тетраедричний і складає 107,3°, а молекула аміаку має форму тригональної піраміди (рис. 18).

В атомі Оксигену в молекулі води незв'язуючими електронними парами зайняті вже дві sp³-гібридизовані орбіталі. Відштовхування двох незв'язуючих пар виявляється більшою мірою, тому валентний кут у молекулі води складає 104,5° (рис. 18).

При гібридизації атомних орбіталей відбувається більше їх перекривання, завдяки чому досягається міцніший зв'язок, а утворені молекули мають меншу енергію.