Гибридизация атомных орбиталей

Рассмотрим образование химических связей в молекуле ВеF₂:

В образовании связей участвуют 2s- и 2рх-орбитали возбужденного атома бериллия (рис. 8, а), которые должны перекрываться с соответствующими 2р-орбиталями атомов фтора. Из характера перекрывания следует, что связь, образованная 2рх-орбиталью бериллия, должна быть более прочной, чем связь, образованная его 2s-орбиталью. Направление образования первой связи строго определенное – вдоль оси х. Перекрывание 2s-орбитали не имеет преимущества в каком-либо направлении, поэтому угол между связями в молекуле ВеF₂ может быть переменным.

Л.Полинг и Дж.Слейтер разработали теорию гибридизации: близкие по энергии валентные орбитали с различной симметрией преобразуются в такое же количество одинаковых гибридных орбиталей, каждая из которых представляет собой продукт смешения исходных орбиталей. Гибридные орбитали более вытянуты в направлении образования химической связи и обеспечивают лучшее перекрывание.

В нашем примере в гибридизации участвуют одна 2s- и одна 2р-орбиталь атома бериллия. Такой случай называется sp-гибридизацией. Гибридные орбитали представляют собой линейные комбинации исходных атомных орбиталей с учетом знаков их частей – «лопастей»

sp-Гибридизация характерна для элементов II группы, но возможна и для атомов других элементов, образующих две s-связи с участием одной s- и одной р-орбиталей.

Участие в образовании связей одной s- и двух р-орбиталей центрального атома приводит к sp²-гибридизации. Гибридизация такого типа характерна для соединений элементов III группы.

Рассмотрим ее на примере молекулы ВF₃. В возбужденном атоме бора при образовании связей происходит гибридизация трех орбиталей – 2s, 2р_х, 2р_z:

(Здесь у двух атомов фтора показаны только 2р-электроны, образующие связи.) Три гибридные орбитали (sp²)_g в соответствии с принципом наименьшей энергии ориентируются так, чтобы отталкивание между ними было минимальным. Этому отвечают углы между осями гибридных орбиталей, равные 120° (рис. 11). Поэтому молекула ВF₃ – плоская, связи в ней – равноценные, направленные по углам правильного треугольника.

Рис. 11. sp²-Гибридизация: а – исходные 2s-, 2р_x- и 2р_z-орбитали; б – гибридные 2(sp²)_g—орбитали

sp³-Гибридизация, в которой участвуют s-орбиталь и все три p-орбитали, характерна для соединений элементов IV группы периодической системы, в частности для насыщенных углеводородов. Рассмотрим молекулу метана СН₄.

В этом случае (при sp³-гибридизации) образуются четыре sp³-гибридные орбитали, направленные в пространстве по углам тетраэдра. Углы между осями гибридных орбиталей составляют 109,46° (рис. 12). Рассмотренный ранее ион аммония NH₄⁺ также имеет тетраэдрическое строение благодаря sp³-гибридизации.

Рис. 12. Ориентация sp³-гибридных орбиталей в молекуле СН₄

В гибридизации могут участвовать и d-орбитали внешнего или предвнешнего квантового уровня. При образовании комплексного иона [АlF6]^3– происходит sp³d²-гибридизация, в которой участвуют вакантные d-орбитали:

Такие шесть гибридных орбиталей направлены по углам октаэдра. Угол между связями 90° (рис. 13).

Рис. 13. Ориентация sp³d²- и d²sp³-гибридных орбиталей

В комплексном ионе [Fе(СN)₆]^4– в гибридизации участвуют «внутренние» d-орбитали предвнешнего квантового слоя. При возбуждении иона Fе²⁺, входящего в состав комплекса, происходит спаривание 3d-электронов и переход в гибридное валентное состояние:

Связи образуются в результате взаимодействия вакантных гибридных d²sp³-орбиталей иона *Fe_g ²⁺и не-поделенных пар электронов шести ионов СN^–. Тип гибридизации – d²sp³. Геометрическая форма комплекса также октаэдрическая.

Гибридизация с участием d-орбиталей дает и другие структуры молекул и сложных ионов.

Таким образом, направленность валентности обусловлена ориентацией гибридных орбиталей в пространстве. В обобщенной форме это представлено в табл. 2.