ГИБРИДИЗАЦИЯ

Валентные электроны атома углерода располагаются на одной -opбитали и двух -орбиталях. -Орбитали расположены под углом 90° друг к другу, а -орбиталь имеет сферическую симметрию (рис. 1-4). Таким образом, расположение атомных орбиталей углерода в пространстве не объясняет возникновения в органических соединениях валентных углов 109,5°, 120° и 180°.

Чтобы разрешить это противоречие, было введено понятие гибридизации атомных орбиталей. Для понимания природы трех вариантов расположения связей атома углерода понадобились представления о трех

Рис. 1-4. Гибридизация атома углерода

Рис. 1-5. Гибридизация атома углерода в метане; 1 — атом углерода в основном состоянии; 2 — возбуждение (проматирование); 3 - -гибридизация; 4 - -гибридизированный атом углерода; 5 — образование четырех связей с атомами водорода; 6 - молекула метана

типах гибридизации (рис. 14). Возникновением концепции гибридизации мы обязаны Лайнусу Полингу, много сделавшему для развития теории химической связи.

Концепция гибридизации объясняет, каким образом атом углерода видоизменяет свои орбитали при образовании соединений. Ниже мы будем рассматривать этот процесс трансформации орбиталей постадийно. При этом надо иметь в виду, что расчленение процесса гибридизации на стадии или этапы есть, на самом деле, не более чем мысленный прием, позволяющий более логично и доступно изложить концепцию. Тем не менее заключения, о пространственной ориентации связей углеродного атома, к которым мы в итоге придем, полностью соответствуют реальному положению дел.

Посмотрите на рис. 1-5, где показана электронная конфигурация атома углерода. Нас интересует только судьба валентных электронов. В результате первого шага, который называют возбуждением или промотированием, один из двух -электронов перемещается на свободную -орбиталь. На втором этапе происходит собственно процесс гибридизации, который несколько условно можно представить себе как смешение

одной и трех -орбиталей и образование из них четырех новых одинаковых орбиталей, каждая из которых на одну четверть сохраняет свойства -орбитали и на три четверти — свойства рорбиталей. Эти новые орбитали получили название -гибридных. Здесь надстрочный индекс 3 обозначает не число электронов, занимающих орбитали, а число -орбиталей, принявших участие в гибридизации. Гибридные орбитали направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом углерода. На каждой -гибридной орбитали находится по одному электрону. Эти электроны и участвуют на третьем этапе в образовании связей с четырьмя атомами водорода, образуя валентные углы 109,5°. Чтобы облегчить восприятие материала, рядом с изображениями орбиталей показаны электронные конфигурации углеродного атома.

Образование плоских молекул с валентными углами 120° показано на рис. 1-6. Здесь, как и в случае -гибридизации, первый шаг — возбуждение. На втором этапе в гибридизации участвуют одна и две -орбитали, образуя три -гибридных орбитали, расположенных в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Одна -орбиталь остается негибридизованной и располагается перпендикулярно плоскости -гибридных орбиталей. Затем (третий шаг) две -гибридные орбитали двух углеродных атомов объединяют электроны, образуя ко валентную связь. Такая связь, образующаяся в результате перекрывания "оконечностей" двух атомных орбиталей, называется -связью. Четвертый этап - образование второй связи между двумя углеродными атомами. Связь образуется в результате перекрывания обращенных друг к другу краев негибридизованных -орбиталей и называется -связью. Новая молекулярная орбиталь представляет собой совокупность двух занятых электронами -связи областей — над и под -связью. Обе связи ( и ) вместе составляют двойную связь между атомами углерода. И наконец, последний, пятый шаг - образование связей между атомами углерода и водорода с помощью электронов четырех оставшихся -гибридных орбиталей.

Третий, последний тип гибридизации, показан на примере простейшей молекулы, содержащей тройную связь молекулы ацетилена (рис. 1-7). Первый шаг — такой же, как раньше. На втором этапе происходит гибридизация одной и одной -орбиталей с образованием двух -гибрид-ных орбиталей и остаются неизмененными две -орбитали, необходимые для образования двух -связей. Следующий (третий) шаг — образование -связи между двумя -гибридизовэнными углеродными атомами, затем образуются две -связи (четвертый и пятый этапы). Одна -связь и две -связи между двумя атомами углерода вместе составляют тройную связь. И наконец, нашестом этапе образуются связи с двумя атомами водорода. Молекула ацетилена имеет линейное строение, все четыре атома лежат на одной прямой.

Мы показали, каким образом три основных в органической химии типа геометрии молекул возникают в результате различных трансформаций атомных орбиталей углерода. Можно предложить два способа определения типа гибридизации различных атомов в молекуле.

Рис. 1-6. (см. скан) -Гибридизация атомов углерода в этилене: 1 - возбуждение; 2 - -гибридизация; 3 - негибридизованная -орбиталь; -гибридные орбитали; 5 — образование -связи между двумя атомами углерода; 6 — образование -связи; 7 - образование четырех связей с атомами водорода

Способ 1. Наиболее общий способ, пригодный для любых молекул. Основан на зависимости валентного угла от гибридизации:

а) валентные углы 109,5°, 107° и 105° свидетельствуют -гибридизации;

б) валентный угол около -гибридизация;

в) валентный угол 180° -гибридизация.

Способ 2. Пригоден для большинства органических молекул. Поскольку тип связи (простая, двойная, тройная) связан с геометрией, можно по характеру связей данного атома определить тип его гибридизации:

(кликните для просмотра скана)

а) все связи простые - -гибридизация;

б) одна двойная связь - -гибридизация;

в) одна тройная связь - -гибридизация.

Для заряженных частиц и соединений некоторых нечасто встречающихся в органической химии элементов, таких, как бор или бериллий следует принимать во внимание конфигурацию атомов. Полезно обратиться к учебнику общей химии.

Для обычных органических молекул следует пользоваться простым и удобным способом 2.

Гибридизация — это мысленная операция превращения обычных (энергетически наиболее выгодных) атомных орбиталей в новые орбитали, геометрия которых соответствует экспериментально определенной геометрии молекул.