Типы гибридизации атома углерода

В возбужденном состоянии атом углерода четырехвалентен и мо- жет присоединить четыре одновалентных атома, таких, например, как атомы водорода. Действительно, простейшим органическим соединени- ем является метан CH₄.

Логично предположить, что в молекуле метана три связи С–Н об- разованы перекрыванием p -орбиталей атома углерода и s -орбиталей трех атомов водорода, а четвертая связь – перекрыванием s -орбиталей атомов углерода и водорода. В таком случае одна из связей должна отличаться от остальных по длине и энергии. Эксперименталь- ные данные говорят о том, что в метане все четыре связи С–Н одинако- вы. Для объяснения этого факта американский химик Лаймус Полинг предложил теорию гибридизации атомных орбиталей. Согласно этой теории атом углерода не имеет «чистых» s - и p -орбиталей. При образо- вании химических связей эти орбитали атома углерода усредняются по форме и энергии, превращаясь в четыре новые равноценные орбитали.

Гибридизация – это взаимодействие атомных орбиталей с близкими значениями энергии, сопровождающееся образованием новых «гибридных» орбиталей, одинаковых по форме и энергии.

Гибридизация – процесс, требующий затрат энергии, но эти затра- ты с избытком компенсируются за счет энергии, выделяющейся при об- разовании большего числа ковалентных связей. Образующиеся «гиб- ридные» орбитали имеют форму ассимметричной гантели и отличаются от исходных орбиталей атома углерода.

Для атома углерода возможно три типа гибридизации:

· sр ³-гибридизация;

· sр ²-гибридизация;

· sр -гибридизация.

 

Гибридизация sр ³-типа

sр ³-Гибридизация – это комбинация одной s- и трёх p- орбиталей внеш- него энергетического уровня и образование четырех новых sр ³ - орбиталей, имеющих форму объёмной восьмёрки с неравноценными сферами:

 

 

исходные орбитали                     sр ³-гибридные орбитали

sp³

2 s

Каждая sр ³ - орбиталь имеет точку с нулевой электронной плотно- стью – узел. У всех четырех орбиталей узлы совпадают – в этом месте находится ядро атома. Электронные орбитали испытывают взаимное отталкивание и отклоняются друг от друга в пространстве на макси- мально возможное расстояние. Их оси направлены к вершинам тетраэд- ра, в центре которого находится атом углерода, а угол между осями ра- вен 109°28'.

 

 

Гибридизация sр ²-типа

sр² -Гибридизация – это комбинация одной s- и двух p- орбиталей внешнего энергетического уровня и образование трех новых sр ² - орбиталей, имеющих форму объёмной восьмёрки с неравноценными сферами:

исходные орбитали                              sр ²-орбитали        p -орбиталь

sp²

2 s                                                                                                   2 p

Гибридные орбитали лежат в одной плоскости, угол между их ося- ми орбиталей равен 120°. Одна p- орбиталь остается негибридизованной, и её ось перпендикулярна плоскости, в которой расположены оси трех гибридных орбиталей.

 

Гибридизация sр -типа

sр -Гибридизация – при этом взаимодействуют, выравниваясь по форме и энергии только две орбитали атома углерода: одна s - и одна p-. Образуются две новых sр- орбитали:

исходные орбитали                                sр- орбитали       p -орбитали sp

2 s                                                                                                  2 p

 

Гибридные орбитали лежат на одной прямой, угол между их осями равен 180°, оси двух негибридизованных р -орбиталей взаимно перпен- дикулярны и перпендикулярны осям sp -орбиталей.

Гибридные орбитали атома углерода способны участвовать в обра- зовании только s-связей, незатронутые гибридизацией р -орбитали обра- зуют только p-связи. Именно этой особенностью определяется про- странственное строение молекул органических веществ.

 

Ковалентные s- и p-связи

s- и p-Связи различают по симметрии перекрывания орбиталей.

Если линия, соединяющая ядра связанных атомов, проходит через область перекрывания орбиталей, связь называется s - связью; если об- ласть перекрывания лежит в стороне от этой линии – p-связью.

s-Связи образуются при перекрывании s-s орбиталей атомов (А),

р-p орбиталей (В), s-p орбиталей (С) и гибридных орбиталей (рис. 2.2).

 

 

Рис. 2.2. Образование s-связей

 

p-Связи образуются при боковом перекрывании р-р орбиталей, оси которых параллельны друг другу (рис. 2.3).

 

Рис. 2.3. Образование p-связей

 

В результате такого перекрывания образуются две области повы- шенной электронной плотности. Ни одна из этих областей не лежит на линии, соединяющей центры ядер двух атомов.

p-Связь менее прочная, чем s-связь, ее электроны легче подверже- ны внешнему воздействию. В соединениях с кратными связями только одна из связей является s-cвязью, образованная перекрыванием s-, р- или гибридных орбиталей, а остальные – p-связями, образованными пе- рекрыванием негибридизованных р- орбиталей атомов, например, двой- ная связь, образованная гибридными орбиталями (s-связь) и не участ- вующими в гибридизации р -орбиталями (p-связь).

 

Рис. 2.4. Образование двойной связи

 

В молекулах алкенов, в частности этилена, орбитали атомов угле- рода при двойной связи находятся в состоянии sp ²-гибридизации, все С–Н и С–С связи лежат в одной плоскости, перекрывание негибридных р -орбиталей атомов углерода происходит в плоскости, перпендикуляр- ной плоскости s-связей (рис. 2.4). Иногда эту плоскость называют плос- костью p- связи.

 

 

Рис. 2.4. Расположение s- и p-связей в молекуле этилена

 

В случае тройной связи, например в молекулах алкинов, орбитали атомов углерода при тройной связи имеют sp -гибридизацию. Две

p-связи, образованные перекрыванием негибридных р -орбиталей ато- мов углерода (по две от каждого из атомов), лежат в двух взаимно пер- пендикулярных плоскостях (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Расположение s- и двух p-связей в молекуле ацетилена

 

В табл. 2.1 приведены основные характеристики связей между ато- мами углерода.

 

Таблица 2.1 Основные характеристики связей между атомами углерода

 

Связь	Тип гибридизации	Длина (нм)	Энергия (кДж/моль)
C–C	sp ^3	0,154	347
C=C	sp ^2	0,134	606
C≡C	sp	0,120	828