Гибридизация атомных орбиталей

Для объяснения фактов, когда атом образует большее число связей, чем число неспаренных электронов в его основном состоянии (например, атом углерода), используется постулат о гибридизации близких по энергии атомных орбиталей. Гибридизация АО происходит при образовании ковалентной связи, если при этом достигается более эффективное перекрывание орбиталей. Гибридизация атома углерода сопровождается его возбуждением и переносом электрона с 2s- на 2 р-АО:

Основное и возбужденное состояния атома углерода

Гибридизация АО - это взаимодействие (смешение) разных по типу, но близких по энергии атомных орбиталей данного атома с образованием гибридных орбиталей одинаковой формы и энергии. Например, смешение 2s-АО с 2p-АО дает две гибридные 2sp-АО:

АО с большой разницей в энергии (например, 1s и 2 р) в гибридизацию не вступают. В зависимости от числа участвующих в гибридизации p-АО возможны следующие виды гибридизации: для атомов углерода и азота - sp3, sp2 и sp; для атома кислорода - sp3, sp2; для галогенов - sp3.

sp3-Гибридизация (тетраэдрическая) Одна s- и три р-орбитали смешиваются, и образуются четыре равноценные по форме и энергии sp3-гибридные орбитали. Орбитальная модель атома в sp 3 -гибридизованном состоянии.

Для атома углерода и других элементов 2-го периода этот процесс происходит по схеме: 2s + 2px + 2py + 2pz = 4 (2sp3) Схема sp 3 -гибридизации атомных орбиталей.

Оси sp3-гибридных орбиталей направлены к вершинам правильного тетраэдра. Тетраэдрический угол между ними равен 109°28', что соответствует наименьшей энергии отталкивания электронов.

На примере молекулы метана показаны объемные модели и пространственная (стереохимическая) формула молекулы с sp3-углеродным атомом.

sp3-Гибридизованное состояние свойственно атому, если сумма числа связанных с ним атомов и числа его неподеленных электронных пар равна 4

Углерод в sp3-гибридном состоянии встречается в простом веществе - алмазе алмазе

sp2-Гибридизация (плоскостно- тригональная) Одна s- и две p-орбитали смешиваются, и образуются три равноценные sp2- гибридные орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° Они могут образовывать три s-связи. Третья р-орбиталь остается негибридизованной и ориентируется перпендикулярно плоскости расположения гибридных орбиталей. Эта р-АО участвует в образовании p-связи.

Для элементов 2-го периода процесс sp2-гибридизации происходит по схеме: 2s + 2px + 2py = 3 (2sp2) 2pz-АО в гибридизации не участвует.

Строение молекул с sp2-атомами отражают их модели:

sp2-Гибридизованное состояние свойственно атому, если сумма числа связанных с ним атомов и числа его неподеленных электронных пар равна 3

Углерод в sp2-гибридном состоянии образует простое вещество графит. Это состояние характерно для атомов С, N, O и др. с двойной связью графит

sp-Гибридизация (линейная) Одна s- и одна р-орбиталь смешиваются, образуя две равноценные sp-орбитали, расположенные под углом 180°, т.е. на одной оси.

Гибридные sp-орбитали участвуют в образовании двух s-связей. Две р- орбитали не гибридизованы и расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях:

p-Орбитали образуют в соединениях две p-связи. Для элементов 2-го периода sp-гибридизация происходит по схеме: 2s + 2px= 2 (2sp) 2py- и 2pz-АО не изменяются.

Строение молекул с sp-атомами отражают их модели:

sp-Гибридизованное состояние свойственно атому, если сумма числа связанных с ним атомов и числа его неподеленных электронных пар равна 2

Энергия гибридных атомных орбиталей Энергия орбитали возрастает по мере удаления электрона от ядра атома