Гибридизация атома углерода

Что такое гибридизация

Гибридизация — это выравнивание электронных орбиталей атома по форме и энергии, происходящее при образовании химических связей. У атома углерода в основном состоянии есть одна s-орбиталь и три p-орбитали на внешнем слое. При образовании связей эти орбитали смешиваются, давая равноценные гибридные орбитали, направленные в пространстве строго определённым образом. Именно гибридизация объясняет, почему молекулы органических веществ имеют конкретную геометрию.

Три типа гибридизации углерода

В зависимости от того, сколько орбиталей участвует в смешивании, различают три состояния атома углерода.

• sp3-гибридизация: смешиваются одна s и три p-орбитали, образуются четыре равноценные орбитали. Углы между связями равны 109,5°, форма — тетраэдр. Характерна для алканов, где все связи одинарные.
• sp2-гибридизация: смешиваются одна s и две p-орбитали, образуются три орбитали в одной плоскости под углом 120°. Оставшаяся негибридная p-орбиталь даёт пи-связь. Характерна для алкенов и аренов.
• sp-гибридизация: смешиваются одна s и одна p-орбиталь, образуются две орбитали под углом 180° (линейная форма). Две негибридные p-орбитали дают две пи-связи. Характерна для алкинов.

Сравнение типов

Как определить тип

Простое правило: посмотрите на кратность связей у атома углерода. Если все связи одинарные — это sp3. Если есть одна двойная связь — это sp2. Если есть тройная связь или две двойные подряд (как в кумуленах) — это sp.

Разберём молекулу пропена CH_2=CH-CH_3. Первые два атома углерода соединены двойной связью, значит, они в состоянии sp2. Третий атом образует только одинарные связи, значит, он sp3.

Частая ошибка: считают, что число гибридных орбиталей зависит от числа соседних атомов. На самом деле оно определяется числом сигма-связей и неподелённых пар. Пи-связи в гибридизации не участвуют — их образуют негибридные орбитали.

Связь гибридизации с длиной и прочностью связи

От типа гибридизации зависят не только углы, но и характеристики самих связей между атомами углерода. Чем больше доля s-орбитали в гибридной орбитали, тем ближе общая электронная пара к ядру, тем короче и прочнее связь. Поэтому тройная связь короче двойной, а двойная короче одинарной. Это хорошо видно на примере простейших углеводородов.

Доля s-характера составляет 25 процентов при sp3, около 33 процентов при sp2 и 50 процентов при sp. Чем выше эта доля, тем сильнее ядро притягивает электроны, поэтому связи у атомов в состоянии sp самые короткие и прочные.

Почему важна геометрия

Пространственное строение молекулы напрямую влияет на её свойства. Например, плоское строение двойной связи в алкенах делает возможной цис-транс-изомерию: заместители могут располагаться по одну или по разные стороны от плоскости. У молекул с sp3-атомами такая изомерия невозможна, потому что вокруг одинарной связи возможно свободное вращение. Так знание типа гибридизации помогает предсказывать и форму молекулы, и набор её изомеров.

Кратко о главном

• Гибридизация — смешивание орбиталей для образования равноценных связей.
• sp3 — тетраэдр, угол 109,5°, одинарные связи (алканы).
• sp2 — плоскость, угол 120°, одна двойная связь (алкены, арены).
• sp — линия, угол 180°, тройная связь (алкины).
• Тип определяют по кратности связей у конкретного атома углерода.