Гібридизаціяорбіталей
Розглянемо утворення молекули метану СН4. Атом вуглецю в збудженому стані володіє чотирма неспареними електронами: одним s-електроном і трьома p-електронами - 1 s 2 2 s 1 2 p 3 .
Розмірковуючи аналогічно тому, як у випадку Н2О або N Н3, можна було б припускати, що атом вуглецю утворюватиме три зв'язки С-Н, спрямовані під прямим кутом один до одного (р-електрони), і один зв'язок, утворений s-електроном, напрям якої було б довільним, оскільки s-орбіталь має сферичну симетрію.
Тоді слід очікувати, що три зв'язку С-Н в СН4 виявляться спрямованими р-зв'язками і абсолютно однаковими, а четвертий зв'язок є ненаправлений s-s-зв'язок і відрізняється від перших трьох.
Однак експериментальні дані показали, що всі чотири зв'язки С-Н у молекулі метану СН4 однакові і спрямовані до вершин тетраедра (кут між ними становить 109,5 °).
Пояснення цього факту вперше було дано американським хіміком Л. Полінг. Зважаючи на відносну близькість значень енергії 2s- і 2р-електронів, ці електрони можуть взаємодіяти між собою в ході утворення хімічного зв'язку з електронами іншого атома, даючи чотири нових рівноцінних гібридних електронних хмари.
Чотири абсолютно однакові sp 3 -гібридні орбіталі атома вуглецю розташовані під кутом 109,5° один до одного і спрямовані до вершин тетраедра, в центрі якого знаходиться атом вуглецю
Це зумовлює сильніше перекриття гібридних орбіталей з орбіталями електронів інших атомів порівняно з перекриттям «звичайних» s- і р-орбіталей і призводить до утворення міцніших зв'язків.
Гібридизація виявляється характерною не тільки для сполукатом вуглецю. Гібридизація орбіталей відбувається завжди, як у освіті зв'язків беруть участь електрони, належні різних типів орбіталей.
Розглянемо приклади різних видів гібридизації s- та p-орбіталей. Гібридизація однієї s-і однієї р-орбіталей (sp-гібридизація) відбувається при утворенні молекул галогенідів елементів II групи (Be, Mg, Zn та ін). Атоми цих елементів в основному стані мають на зовнішньому шарі два спарених s-електрона. Через війну збудження одне із електронів s -орбіталі перетворюється на близьку по енергії р-орбіталь, тобто. з'являються два неспарені електрони, один з яких займає s -, а інший р-орбіталь. У разі виникнення хімічного зв'язку дві різні орбіталі перетворюються на дві однакові гібридні орбіталі (тип гібридизації — sp ), спрямовані під кутом 180° друг до друга, тобто. ці два зв'язки мають протилежний напрямок.
Експериментальне визначення структури молекул ВеХ2, Zn Х2, HgX 2 і т.д. (Х галоген) показало, що ці молекули дійсно є лінійними.
Зупинимося докладніше на структурі молекули ацетилену С2Н2. У молекулі ацетилену кожен атом вуглецю знаходиться в sp-гібридному стані, утворюючи два гібридні зв'язки, спрямовані під кутом 180 ° один до одного. Як у випадку зв'язків С-С, так і у випадку зв'язків С-Н виникає загальна двоелектронна хмара, що утворює зв'язку σ. σ-зв'язком називають зв'язок, що виникає при усуспільненні електронних хмар двох атомів, якщо хмари перекриваються по лінії, що з'єднує атоми.
Але в молекулі ацетилену в кожному з атомів вуглецю міститься ще по два р-електрони, які не беруть участі в утворенні зв'язків σ. Молекула ацетилену має плоский лінійний «скелет», тому обидві р-електронні хмари в кожному з атомів вуглецю виступають зплощині молекули у перпендикулярному до неї напрямку. При цьому відбувається також деяка взаємодія електронних хмар, але менш сильна, ніж при утворенні зв'язків σ. У результаті, в молекулі ацетилену утворюються ще дві ковалентні вуглець-вуглецеві зв'язки, які називають p-зв'язками
У загальному випадку p-зв'язком можна назвати ковалентний зв'язок, утворений при перекриванні атомних орбіталей поза лінією, що з'єднує атоми.
σ-зв'язки є більш міцними, ніж p-зв'язку, ніж пояснюється більша реакційна здатність ненасичених вуглеводнів порівняно з граничними.
Ще один вид гібридизації s- і р-орбіталей здійснював у з'єднаннях бору, алюмінію або вуглецю (етилен, бензол). Збуджений атом бору має три неспарені електрони - один s - і два p-електрони. В цьому випадку при утворенні з'єднань бору відбувається гібридизація однієї s - і двох р-орбіталей (sp 2 -гібридизація), при цьому утворюються три однакові sp 2 - гібридні орбіталі, розташовані під кутом 120 ° один до одного
Дійсно, експерименти показали, що такі сполуки, як F 3, А lCl 3, а також етилен і бензол мають плоску будову, і всі три зв'язку В- F , наприклад, в молекулі F 3 розташовані під кутом 120° один до одного .
За допомогою освіти sp 2 -гібридних орбіталей таки пояснюються структури ненасичених вуглеводнів з подвійними зв'язками. Наприклад, для такої молекули як етилен схематично можна зобразити наступну структуру
Як видно, у кожного атома вуглецю є σ-зв'язки, утворені sp 2 -гібридними хмарами, крім того, між атомами вуглецю утворюється p-зв'язок за рахунок перекривання p-орбіталей. Таким чином, подвійні вуглець-вуглецеві зв'язки складаються з одного σ- та одного p-зв'язку.