2.2. Гибридизация атомных орбиталей

От типа гибридизации АО при образовании связи зависят такие важные характеристики, как валентные углы, энергия АО,  электроотрицательность атомов, эффективность σ-перекрывания и способность к внутримолекулярному вращению . 

Тип гибридизации атома в молекуле можно определить по числу связанных с ним атомов и числу его неподеленных электронных пар.

Интерактивная анимация "Гибридизованные состояния атома углерода"

Используйте управляющие кнопки-переключатели

• Валентный угол, образуемый атомом в молекуле, определяется типом гибридизации АО и их пространственной ориентацией:

sp³ (109°28');      sp² (120°);     sp (180°).

• Энергия орбитали возрастает по мере удаления электрона от ядра атома (т.е. с увеличением номера электронного уровня). Кроме того, в пределах одного уровня s-электроны находятся ближе к ядру, чем р-электроны. Поэтому для разного типа гибридных АО энергия уменьшается с увеличением вклада s-АО в гибридизованное состояние:

sp³ (25% s -АО)  >  sp² (33,3% s-АО)  >  sp (50% s-АО)

Сравнение энергии негибридных и гибридных АО на примере элементов 2-го периода приводит к следующему ряду:

1s < < 2s < 2sp < 2sp² < 2sp³ < 2p_x = 2p_y = 2p_z

Электронная конфигурация атома в различных состояниях и качественное соотношение энергий 1s, 2s, 2p и гибридизованных орбиталей на примере углерода:

• Электроотрицательность атома возрастает с увеличением доли s-АО в гибридной орбитали. Например, для углерода она изменяется в ряду:

C (sp³) 2,5 < C (sp²) 2,8 < C(sp) 3,2

Это связано c тем, что s-АО более электроотрицательна, чем р-орбиталь (s-электроны прочнее связаны с ядром). Поэтому полярность связей С—Н увеличивается в той же последовательности:

Повышенная полярность связи С(sp)–Н объясняет кислотные свойства углеводородов с концевой тройной связью (алкинов-1) в реакциях отщепления протона и замещении его на металл (образование солей - ацетиленидов).

• Эффективность σ-перекрывания АО и, следовательно, прочность σ-связи, зависит от размеров электронного облака в направлении линии связи. Если принять радиус s-АО за 1, то по расчетам получают следующий ряд изменения относительных размеров АО и их способности к перекрыванию:

• Внутримолекулярное вращение характерно для σ-связей, образованных при осевом перекрывании АО, т.е. σ-МО, обладающих вращательной симметрией вдоль межъядерной оси. Это определяет возможность особого вида теплового движения – вращения по σ-связям и существования различных пространственных форм молекулы (конформаций). 

Пример   – вращение по σ -связям в молекуле н-бутана H₃ C–CH₂ –CH₂– CH₃. 

В связи с отсутствием вращательной симметрии у π-МО, образованной боковым перекрыванием р-АО, поворот по двойной связи невозможен без разрыва π-связи. 

В соединениях, содержащих π-связи, разделённые σ-связями, возможно вращение по этим σ-связям.

Пример –  вращение по σ-связи в молекуле бутадиена-1,3 H₂C=CH–CH=CH₂.