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 обуславливают лучшее перекрывание электронных облаков. По числу участвующих в гибридизации атомных орбиталей различают следующие, наиболее распространенные типы гибридизации: sp-, sр²- и sр³.

Тип гибридизации определяется видом и количеством участвующих в гибридизации электронных орбиталей (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Типы гибридизации и геометрия молекул

Тип молекулы	Тип гибридизации	Число гибридных орбиталей атома А	Геометрия молекул	Валентные углы	Примеры
АВ2	sp (s+p)	2	Линейная	180°	BeF2, CO2, C2H2
АВ3	sp2 (s+2p)	3	Плоская	120°	BCl3, AlF3, C2H4
АВ4	sp3 (s+3p)	4	Тетраэдри-ческая	109,5°	H2O, NH3, SiH4, CCl4, CH4,

Гибридизация одной s - и одной р - электронных орбиталей приводит к образованию двух гибридных sp - орбиталей (рис. 2.5).

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

Рис. 2.5. 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.

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°, например, в молекулах BH₃, BCl₃, AlF₃.

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°; они направлены к вершинам правильного тетраэдра.

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 1s²2s²2p³-электронную конфигурацию.

Графическая схема распределения электронов по энергетическим ячейкам представлена схемой на рис. 2.6, согласно которой могут образоваться три взаимно перпендикулярные связи с тремя атомами водорода. Однако в действительности валентные углы в аммиаке равны 107° 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. 2.6).

Рис. 2.6. Пространственная конфигурация молекулы NH₃

Молекула воды. В молекуле воды H₂O центральным атомом является атом кислорода, который в невозбужденном состоянии имеет следующую электронную конфигурацию: 1s²2s²2p² (рис. 2.7).

Кислород в молекуле воды также находится в состоянии sp³-гибридизации.

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°.

Рис. 2.7. Пространственная конфигурация молекулы Н₂О

У рассмотренных молекул аммиака и воды углы между связями отклоняются от тетраэдрического 109°29^′ и прямого 90°. 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°. В молекуле H₂O – две орбитали с парами электронов. Их влияние на орбитали связи еще сильнее, и угол H−O−H уменьшается до 104,5°.