Гибридиза́ция орбита́лей — процесс смешения различных атомных орбиталей (s, p, d, f) центрального атома многоатомной молекулы с возникновением одинаковых орбиталей, эквивалентных по своим правилам. Угол между гибридными орбиталями при sp ³ -гибридизации равен 109.5° , при sp ² — 120°, при sp — 180°.

Концепция гибридизации

« Концепция гибридизации валентных атомных орбиталей » была предложена американским химиком Лайнусом Полингом в 1931 году для ответа на вопрос, почему при наличии у центрального атома разных (s, p, d) валентных орбиталей, образованные им связи в многоатомных молекулах с одинаковыми лигандами оказываются эквивалентными по своим энергетическим и пространственным характеристикам.

Представления о гибридизации занимают центральное место в методе валентных связей . Сама гибридизация не является реальным физическим процессом, а только удобной моделью, позволяющей объяснить электронное строение молекул, в частности гипотетические видоизменения атомных орбиталей при образовании ковалентной химической связи , в частности, выравнивание длин химических связей и валентных углов в молекуле.

Концепция гибридизации с успехом была применена для качественного описания простых молекул, но позднее была расширена и для более сложных. В отличие от теории молекулярных орбиталей не является строго количественной, например, она не в состоянии предсказать фотоэлектронные спектры даже таких простых молекул, как вода . В настоящее время используется в основном в методических целях и в синтетической органической химии .

В 1954 году Нобелевский комитет удостоил Л. Полинга премии по химии «За изучение природы химической связи и его применение к объяснению строения сложных молекул». Однако сам Л. Полинг не был удовлетворён введением σ, π — описания для двойной и тройной связи и сопряжённых систем.

В 1958 году на симпозиуме, посвящённом памяти немецкого химика-органика Ф. А. Кекуле , Л. Полинг развил теорию изогнутой химической связи , учитывающую кулоновское отталкивание электронов . По этой теории, двойная связь описывалась как комбинация двух изогнутых химических связей, а тройная связь как комбинация трёх изогнутых химических связей .

Этот принцип нашёл отражение в теории отталкивания электронных пар Гиллеспи — Найхолма, первое и наиболее важное правило которое формулировалось следующим образом:

« Электронные пары принимают такое расположение на валентной оболочке атома, при котором они максимально удалены друг от друга, т. е. электронные пары ведут себя так, как если бы они взаимно отталкивались» .

Второе правило состояло в том, что «все электронные пары, входящие в валентную электронную оболочку, считаются расположенными на одинаковом расстоянии от ядра» .

Виды гибридизации

sp-гибридизация

При sp - гибридизации s - орбиталь углерода в возбужденном состоянии смешивается только с одной из трех 2p - орбиталей. Это называется sp - гибридизацией, потому что две орбитали (одна s и одна p) смешаны: Получающиеся две sp - гибридные орбитали затем располагаются в линейной геометрии (180°), а две негибридизованные 2p - орбитали располагаются под углом 90°: Давайте посмотрим, как это происходит в ацетилене - C2H2. Два атома углерода образуют сигма - связь , перекрывая sp - орбитали. Один водород связывается с каждым атомом углерода, перекрывая его орбиталь с другой орбиталью. Две p - орбитали каждого углерода перекрываются, образуя две π-связи. Основные параметры sp гибридизации и тройной связи: * Все атомы имеют линейную структуру; * Угол между атомами составляет 180°; * В тройной связи есть одна σ (сигма) и две π (пи) связи.

sp ² -гибридизация

Данный вид гибридизации происходит при смешивании одной s- и двух p-орбиталей. Образуются три гибридные орбитали с осями, расположенными в одной плоскости и направленными к вершинам треугольника под углом 120°. Негибридная p-атомная орбиталь перпендикулярна плоскости и, как правило, участвует в образовании π-связей.

sp ³ -гибридизация

Данный вид гибридизации происходит при смешивании одной s- и трех p-орбиталей, образуя четыре равноценные по форме и энергии sp ³ -гибридные орбитали.

Оси sp ³ -гибридных орбиталей направлены к вершинам тетраэдра , тогда как ядро центрального атома расположено в центре описанной сферы этого тетраэдра. Угол между любыми двумя осями приближённо равен 109°28' , что соответствует наименьшей энергии отталкивания электронов. Также sp ³ -орбитали могут образовывать четыре σ-связи с другими атомами или заполняться неподеленными парами электронов. Такое состояние характерно для атомов углерода в насыщенных углеводородах и соответственно в алкильных радикалах и их производных.

Гибридизация и геометрия молекул

Представление о гибридизации атомных орбиталей лежит в основе теории отталкивания электронных пар Гиллеспи-Найхолма . Каждому типу гибридизации соответствует строго определённая пространственная ориентация гибридных орбиталей центрального атома, что позволяет её использовать как основу стереохимических представлений в неорганической химии.

В таблице приведены примеры соответствия наиболее распространённых типов гибридизации и геометрической структуры молекул в предположении, что все гибридные орбитали участвуют в образовании химических связей (отсутствуют неподелённые электронные пары) .

Тип гибридизации	Число гибридных орбиталей	Геометрия	Структура	Примеры
sp	2	Линейная		BeF 2 , CO 2 , NO 2 +
sp 2	3	Треугольная		BF 3 , NO 3 - , CO 3 2-
sp 3 , d 3 s	4	Тетраэдрическая		CH 4 , ClO 4 - , SO 4 2- , NH 4 +
dsp 2	4	Плоскоквадратная		[Ni(CN) 4 ] 2- [PdCl 4 ] 2-
sp 3 d	5	Тригонально-бипирамидальная		PCl 5 , AsF 5
sp 3 d 2 , d 2 sp 3	6	Октаэдрическая		SF 6 , Fe(CN) 6 3- , CoF 6 3-

Примечания

Литература

• Полинг Л. Природа химической связи / Пер. с англ. М. Е. Дяткиной. Под ред. проф. Я. К. Сыркина. — М.; Л.: Госхимиздат, 1947. — 440 с.
• Полинг Л. Общая химия. Пер. с англ. — М. : Мир, 1974. — 846 с.
• Минкин В. И., Симкин Б. Я., Миняев Р. М. Теория строения молекул. — Ростов-на-Дону: Феникс, 1997. — С. 397—406. — ISBN 5-222-00106-7 .
• Гиллеспи Р. Геометрия молекул / Пер. с англ. Е. З. Засорина и В. С. Мастрюкова, под ред. Ю. А. Пентина. — М. : Мир, 1975. — 278 с.

Ссылки

• На Викискладе есть медиафайлы по теме