В помощь учащимся. Готовимся к ЗНО. Гибридизация электронных орбиталей атома Карбона.

sp-гибридизация (линейная) Одна s- и одна р-орбиталь смешиваются, образуя две равноценные sp-орбитали, расположенные под углом 180, т.е. на одной оси.

Гибридные sp-орбитали участвуют в образовании двух σ-связей. Две р-орбитали не гибридизованы и расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях:

VRML-модель

p-Орбитали образуют в соединениях две π-связи.
Для элементов 2-го периода sp-гибридизация происходит по схеме:

2s + 2p_x= 2 (2sp)
2p_y- и 2p_z-АО не изменяются.
Схема sp-гибридизации

Для простоты изображения пространственного строения sp-атома обычно рисуют р-орбитали в форме электронных облаков, а гибридные орбитали изображают прямыми линиями:

Например, sp-атом углерода.
Строение молекул с sp-атомами отражают их модели:

sp-Гибридизованное состояние свойственно атому, если сумма числа связанных с ним атомов и числа его неподеленных электронных пар равна 2 (примеры).

Углерод в sp-гибридном состоянии присутствует:

• в соединениях с тройной связью

в соединениях типа R₂C=C=CR₂;

• в простом веществе - карбине, cтроение которого представляют формулами:

   sp²-гибридизация (плоскостно-тригональная)

Одна s- и две p-орбитали смешиваются, и образуются три равноценные sp²-гибридные орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° (выделены синим цветом). Они могут образовывать три σ-связи. Третья р-орбиталь остается негибридизованной и ориентируется перпендикулярно плоскости расположения гибридных орбиталей. Эта р-АО участвует в образовании π-связи.

VRML-модель  Для элементов 2-го периода процесс sp²-гибридизации происходит по схеме:

2s + 2p_x + 2p_y = 3 (2sp²)

2p_z-АО в гибридизации не участвует.

Для изображения пространственного строения атомов в sp²-состоянии используются те же приемы, что и в случае sp³-атомов:

Переход от орбитальной модели атома в sp²-гибридизированном состоянии (а) к пространственной формуле (б). См. также рисунок  Строение молекул с sp²-атомами отражают их модели:

sp²-Гибридизованное состояние свойственно атому, если сумма числа связанных с ним атомов и числа его неподеленных электронных пар равна 3 (примеры).

Атомы углерода в sp²-гибридном состоянии образуют такие аллотропные формы как графит, графен, фуллерены (например, C₆₀-фуллерен, 77 Кб [Library of 3-D Molecular Structures]) и другие наноструктуры.

sp²-Гибридизация характерна для атомов С, N, O и др. с двойной связью (sp²-атомы выделены красным цветом):

H₂C=CH₂ (анимация, 21,3 Кб), H₂C=CHR, R₂C=NR,

R-N=N-R, R₂C=O, R-N=O, а также для катионов типа R₃C⁺ и свободных радикалов R₃C^•.

sp³-гибридизация (тетраэдрическая)

Одна s- и три р-орбитали смешиваются, и образуются четыре равноценные по форме и энергии sp³-гибридные орбитали.

Орбитальная модель атома в sp³-гибридизованном состоянии.VRML-модель

Для атома углерода и других элементов 2-го периода этот процесс происходит по схеме:

2s + 2p_x + 2p_y + 2p_z = 4 (2sp³)

Схема sp³-гибридизации атомных орбиталей.

Оси sp³-гибридных орбиталей направлены к вершинам правильного тетраэдра. Тетраэдрический угол между ними равен 109°28', что соответствует наименьшей энергии отталкивания электронов. Впервые идею о направленности единиц сродства (валентностей) атома углерода по углам тетраэдра независимо друг от друга выдвинули в 1874 г. Вант-Гофф и Ле Бель. sp³-Орбитали могут образовывать четыре σ-связи с другими атомами или заполняться неподеленными парами электронов.

В этом случае sp³-гибридные орбитали изображают не электронными облаками, а прямыми линиями или клиньями в зависимости от пространственной ориентации орбитали. Такое схематическое изображение используется при написании стереохимических (пространственных) формул молекул.

Переход от орбитальной модели (а) к пространственной формуле (б).

См. также рисунок.

На примере молекулы метана показаны объемные модели и пространственная (стереохимическая) формула молекулы с sp³-углеродным атомом:

Модель молекулы метана

Cтроение молекулы этана C₂H₆ иллюстрируют рисунок и анимация.

sp³-Гибридизованное состояние свойственно атому, если сумма числа связанных с ним атомов и числа его неподеленных электронных пар равна 4 (схема).

Углерод в sp³-гибридном состоянии находится в простом веществе алмазе – одной из аллотропных форм углерода (см. иллюстрации).
Это состояние характерно для атомов С, N, O и др., соединенных с другими атомами одинарными связями (sp³-атомы выделены красным цветом): СH₄, RCH₃, NH₃, RNH₂, H₂O, ROH, R₂O;а также анионам типа:    R₃C:^–,    RO^–   и т.п. Следствием тетраэдрического строения sp³-атома является возможность существования двух оптических стереоизомеров у соединения, содержащего такой атом с четырьмя разными заместителями (Вант-Гофф, Ле Бель, 1874).

Источник: chemistry.ssu.samara.ru