Гибридизацией называют процесс математического преобразования атомных орбиталей, в результате которого образуются новые орбитали, эквивалентные по форме и энергии, но ориентированные в пространстве особым образом. Такая перестройка электронного облака позволяет объяснить симметрию и геометрию молекул, их углы связи, а также равенство длин химических связей, которое не всегда очевидно при рассмотрении только исходных атомных орбиталей.
Атомные орбитали s, p и d в свободном виде обладают различной энергией и пространственным распределением электронной плотности. Однако в условиях образования химических связей происходит перераспределение электронных облаков для достижения более устойчивого состояния. Гибридизация обеспечивает:
Возникает при сочетании одной s- и трёх p-орбиталей, в результате чего образуются четыре эквивалентные гибридные орбитали. Эти орбитали располагаются в вершинах правильного тетраэдра с углом 109,5°. Примером служит молекула метана CH₄, где все связи C–H равны и направлены тетраэдрически.
Образуется при смешении одной s- и двух p-орбиталей. Формируются три эквивалентные орбитали, лежащие в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Четвёртая p-орбиталь остаётся негибридизированной и участвует в образовании π-связей. Типичный пример — молекула этилена C₂H₄, где углеродные атомы образуют плоскую структуру с двойной связью.
Возникает при объединении одной s- и одной p-орбитали, что даёт две равноценные гибридные орбитали, ориентированные линейно под углом 180°. Две оставшиеся p-орбитали остаются негибридизированными и участвуют в формировании двух π-связей. Такой тип гибридизации характерен для ацетилена C₂H₂, где углеродные атомы соединены тройной связью и расположены по прямой линии.
В расширенной координационной химии наблюдаются типы гибридизации, включающие d-орбитали:
Использование d-орбиталей особенно характерно для элементов III и более высоких периодов, где энергетический разрыв между p- и d-орбиталями становится достаточно малым.
Гибридизация тесно связана с моделью отталкивания электронных пар (ВЭП). Согласно этой теории, геометрия молекулы определяется стремлением электронных пар занять такие позиции, при которых отталкивание между ними минимально. Гибридные орбитали формируются именно так, чтобы обеспечить оптимальное распределение электронных облаков и устойчивую структуру молекулы.
Хотя гибридизация успешно объясняет многие структурные особенности молекул, она не всегда отражает истинное квантово-механическое распределение электронной плотности. Современные методы молекулярных орбиталей дают более точные результаты, однако концепция гибридизации сохраняет значимость как удобная модель для описания химической связи и геометрии молекул.