Гибридизация атомных орбиталей — это процесс смешивания чистых атомных орбиталей одного атома для образования новых, гибридных орбиталей, которые обладают иной геометрией и энергией. Она объясняет форму молекул и пространственное распределение электронов, а также позволяет понять особенности химической связи, в частности, ковалентной.
Гибридные орбитали возникают преимущественно у атомов центрального элемента в молекуле и характеризуются равновероятным распределением электронов. Этот подход позволяет объяснить наблюдаемые углы между связями и симметрию молекул, которые не соответствуют простому представлению об использовании лишь атомных s- и p-орбиталей.
1. sp-гибридизация Происходит смешивание одной s- и одной p-орбитали. Формируются две линейные гибридные орбитали, направленные под углом 180°. Примеры: молекулы BeCl₂, CO₂. Характеристика:
2. sp²-гибридизация Смешиваются одна s- и две p-орбитали. Получаются три плоские треугольные орбитали, расположенные под углом 120° друг к другу. Примеры: молекулы BF₃, C₂H₄. Характеристика:
3. sp³-гибридизация Смешивание одной s- и трёх p-орбиталей, формирующих четыре тетраэдрические орбитали, направленные под углом 109,5°. Примеры: молекулы CH₄, NH₃, H₂O. Характеристика:
4. sp³d-гибридизация Используется одна s-, три p- и одна d-орбиталь. Формируются пять гибридных орбиталей, которые обеспечивают тригональную бипирамидальную геометрию. Примеры: молекулы PCl₅, SF₄. Характеристика:
5. sp³d²-гибридизация Объединение одной s-, трёх p- и двух d-орбиталей, формирующее шесть гибридных орбиталей для октаэдрической геометрии. Примеры: молекулы SF₆, PF₆⁻. Характеристика:
Гибридизация объясняется смешением волновых функций атомных орбиталей. Процесс включает:
Особенность гибридизации — энергетическая стабилизация молекулы, так как электронные облака гибридных орбиталей обеспечивают оптимальное перекрытие, что повышает прочность σ-связей.
Гибридизация напрямую определяет углы между химическими связями:
Неподелённые электронные пары слегка изменяют углы, отталкивая связи сильнее, чем сами σ-связи. Например, угол H–O–H в воде составляет ~104,5°, меньше 109,5°, из-за двух неподелённых электронных пар на кислороде.
Гибридизация объясняет различие между σ- и π-связями:
В молекулах с кратными связями, как этилен или ацетилен, гибридизация центрального атома напрямую определяет наличие двойных или тройных связей и их пространственную ориентацию.
Гибридизация позволяет:
Гибридизация является фундаментальным понятием, связывающим квантовомеханическое описание атома с макроскопическими свойствами вещества и его химической активностью.