2.2. Гибридизация атомных орбиталей

Взаимодействие друг с другом атомных орбиталей одного и того же атома может приводить к их смешению и образованию гибридных орбиталей. Понятие о гибридизации АО углерода и других элементов широко используется в органической химии и привлекается для объяснения геометрии и устойчивости молекул, а также фактов, когда атом (например, углерод) образует большее число связей, чем число неспаренных электронов в его основном состоянии.

Атом углерода проявляет валентность 4 и образует четыре связи, хотя в основном (невозбужденном) состоянии он имеет на внешнем уровне лишь 2 неспаренных электрона.

Гибридизация АО происходит при образовании ковалентной связи, если при этом достигается более эффективное перекрывание орбиталей. Таким образом, гибридные орбитали свойственны только атомам в молекулах, а не свободным атомам.
Гибридизация атома углерода сопровождается его возбуждением и переносом электрона с 2s- на 2р-АО.

В процессе гибридизации могут участвовать АО разного типа, но более существенный вклад вносят АО, мало отличающиеся по энергии (с одинаковыми значениями главного квантового числа), например, орбитали 2s и 2p (n=2). При этом число гибридных орбиталей равно числу исходных орбиталей.

Например, смешение 2s-АО с 2p-АО дает две гибридные 2sp-АО (анимация).

Гибридная орбиталь асимметрична и сильно вытянута по одну сторону от ядра:

В отличие от s- или p-орбиталей гибридизованная АО имеет одну большую долю ("передняя" доля), которая хорошо образует связи, и малую долю ("задняя" доля), которую обычно даже не рисуют, хотя она может играть роль в некоторых реакциях.
Гибридизованные АО при взаимодействии с орбиталями различных типов (s-, p-, гибридными АО) обычно дают σ-МО, т.е. σ-связи. Химическая связь, образуемая с участием электронов гибридных орбиталей, характеризуется более эффективным перекрыванием и поэтому прочнее связи, образованной электронами негибридных орбиталей.
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 и sp²;
• для галогенов – sp³, sp².

Гибридизованные АО при взаимодействии с орбиталями различных типов (s-, p- или с гибридными АО) обычно дают σ-МО, т.е. образуют σ-связи. Такая связь прочнее связи, образованной электронами негибридных АО, за счет более эффективного перекрывания.