Одна s-орбиталь и одна p-орбиталь превращаются в две одинаковые «гибридные» орбитали, угол между осями которых равен 180°:

32

¾®

Две sp-орбитали могут образовывать две -связи (BeH₂, ZnCl₂). Молекула гидрида бериллия выглядит следующим образом:

Ве

H H

Молекулы, в которых осуществляется sp-гибридизация, имеют линейную геометрию.

sp² -Гибридизация. Данный вид гибридизации характерен для атомов В и А1 (ns² nр¹). Три sp²-орбитали могут образовывать три σ-связи (BF₃, AlCl₃). Примером молекулы, в которой осуществляется этот вид гибридизации, может служить молекула фторида бора ВF₃:

В

2s 2p

В^*

Схема возникновения гибридных орбиталей в этом случае выглядит следующим образом. Одна s-орбиталь и две p-орбитали превращаются в три одинаковые sp² «гибридные» орбитали, угол между осями которых равен 120°:

p

s

––®

Молекулы, в которых осуществляется sp²-гибридизация, имеют плоскую геометрию. На схеме далее приведена модель и геометрия молекулы ВС1₃:

33

sp³-Гибридизация. В случае углерода и образования четырех σ-связей имеем так называемую sp³-гибридизацию (1 – s и 3 – р электрона; см. схему выше). Одна s-орбиталь и три p-орбитали превращаются в четыре одинаковые «гибридные» sp³-орбитали, угол между осями которых равен 109°28':

	––®

Молекулы, в которых осуществляется sp³-гибридизация, имеют тетраэдрическую геометрию (CH₄, CС1₄):

Гибридизация осуществляется только по σ-связям, а π-связи в гибридизации не участвуют. Например, в этилене тип гибридизации для углерода sp².

Н Н

С = С

Н Н

Н

Н

Н

Н

Рис. 4.4. Схема перекрывания АО в молекуле этилена

34

Из рис. 4.4 видно, что между С - С образуется одна гибридная σ-связь и одна не участвующая в гибридизации -связь. Две орбитали p_z различных атомов углерода, не участвовавшие в гибридизации, перекрываются, образуя -связь, и их

геометрия такова, что перекрывание происходит не по линии связи С - С, а выше и ниже этой линии (на данном рисунке перекрывание p_z-орбиталей показано черными стрелками). Между двумя атомами углерода и четырьмя атомами водорода реализуются четыре σ-связи.

Во всех ацетиленовых углеводородах (алкинах): C₂H₂ (ацетилен), C₄H₆, C₆H₁₀ и т. д. (общая формула алкинов C_nH_2n-2) и других подобных органических соединениях со связями -С ≡ С- наблюдается sp-гибридизация.

При этом гибридные орбитали атомов углерода образуют две σ-связи с соседними атомами, а негибридные орбитали атомов углерода образуют две π-связи. Перекрывание орбиталей между атомами с sp-гибридными орбиталями в ацетилене С₂Н₂ показано на рис.4.5.

Как видно, в С₂Н₂ между двумя атомами С - С образуется одна σ-связь и две π-связи, сформированные за счет перекрывания p_z- и p_у-орбиталей. Между С и Н реализуется σ-связь.

Рис. 4.5. Схема перекрывания АО в молекуле ацетилена

sp-гибридизации соответствует валентный угол в 180⁰, sp² – 120⁰, sp³ – 109,5^о и т.д.

В некоторых случаях в гибридизации участвуют не образующие связь валентные электронные пары центрального атома (несвязывающие электронные пары). Пространственную конфигурацию молекулы или иона и тип гибридизации определяет суммарное число связывающих и несвязывающих -электронных пар.

В случае участия в гибридизации несвязывающих электронных пар происходит искажение правильной геометрии молекул, и валентный угол отклоняется от теоретического.

В качестве примера рассмотрим структуру sp³ гибридных молекул (CH₄, NH₃, H₂O), образованных элементами второго периода.

35

Углерод ₆С Азот ₇N Кислород ₈O

2s 2p 2s 2p 2s 2p

H ∙ ∙ ∙ ∙

С N O

H H H H ∙ ∙ H

109⁰28^ 107⁰ 105⁰

H ^′ H H

Можно видеть, что молекула метана СН₄ имеет идеальное тетраэдрическое строение с углом 109⁰28^′, в молекуле аммиака NH₃ в гибридизации принимает участие двухэлектронная 2s орбиталь, которая не образует связи с атомом водорода. Валентный угол искажается до 107⁰. В молекуле воды Н₂О таких орбиталей две, а угол искажен еще больше 105⁰.

У атомов третьего и больших периодов в гибридизации могут принимать участие и d-орбитали.Однако это становится возможным только в том случае, когда они характеризуются прмерно теми же размерами, что и s- и р-орбитали. В этом случае возможно образование sp³d-, sp³d² и sp³d³ гибридных орбиталей.

Следует отметить, что гибридные молекулы с одинаковыми периферийными атомами и без участия в гибридизации несвязывающих орбиталей, являются высокосимметричными и не полярными. Дипольные моменты отдельных связей компенсируют друг друга и суммарный дипольный момент молекулы равен нулю.

Конкретный тип гибридизации орбиталей иногда трудно спрогнозировать. Представления о типе гибридизации можно использовать только в том случае, если известна геометрия молекул.

Метод ВС имеет серьезные недостатки. Так, согласно методу ВС, в образовании химической связи принимают участие валентные электроны, которые, в соответствии с принципом Паули, должны иметь противоположно направленные спины (электроны спарены), и в этом случае все молекулы должны быть диамагнитными. Метод ВС принципиально не может объяснить магнитные свойства молекул. Кроме того, с помощью метода ВС невозможно объяснить существование иона Н₂⁺, Не₂⁺, свободных радикалов, образование молекул из ряда d-элементов.

Этих недостатков лишен метод молекулярных орбиталей.