Орбитална хибридизация

Орбиталната хибридизация е химическа идея, според която в хода на химичното взаимодействие част или всички валентни атомни орбитали на даден атом се смесват (уеднаквяват, хибридизират).

Същност

При хибридизация става уеднаквяване на атомните орбитали. Това се извършва при близки стойности на енергиите на s-,p-, а в някои случаи и на d-орбиталите. При тези орбитали състоянието на валентните електрони може да се опише не с чисти s-, p- и d-, а със смесени, или хибридни вълнови функции, които представляват линейна комбинация от собствените им функции. Енергията на получените хибридни орбитали е средноаритметична на енергията на изходните АО, така че общата енергия на атома не се променя. При хибридизация става изменение и на формата на електронния облак. Той е асиметричен – има по-голяма протяжност от едната страна на ядрото по направление на съседните атоми, отколкото от другата страна. Благодарение на това се постига по-пълно припокриване на електронните облаци на централния атом с тези атоми. Затова химичните връзки, образувани с хибридни орбитали, са по-здрави. При реакцията става и преместване на електрони от една на друга орбитала и атомът се намира във възбудено, валентно състояние. Този процес е придружен с поглъщане на енергия и се нарича промотиране. Енергията, необходима за промотирането, се получава от енергията на образуването на химичните връзки. Например за прехода на един електрон от 2s-орбитала на въглеродния атом на 2p-орбитала е нужна енергия около 400 kJ/mol^-1. Тя се компенсира от енергията на образуването на CH₄ – 895 kJ/mol^-1. Трябва да се разграничи стадият на преминаване на атома във възбудено състояние от стадия на хибридизация. Първият действително се извършва при използване на енергия. Хибридизацията не е следствие от възбуждането на атома. Тя не е физичен процес, а постулат, служещ само за обяснение на експериментално наблюдаваните еквиваленти връзки и равенството на ъглите между тях – например тетраедричните връзки на CH₄ се получават не вследствие на хибридизацията на АО при въглеродния атом преди припокриването им с 1s-орбиталите на водородните атоми, а по време на реакцията, защото тяхното образуване е термодинамически по-изгодно, отколкото да се образуват три еднакви връзки на основата на p-орбиталите и една, различна от тях, на основата на s-орбиталата. Теорията на валентните връзки обяснява този опитен факт с помощта на хипотетичния механизъм хибридизация. Понятията хибридизация и хибридни орбитали са молекулни понятия.

Видове хибридизация

sp-хибридизация (дигонална)

Две sp орбитали

В този случай се хибридизират само една s- и една p-атомна орбитала. Получават се две хибридни орбитали с форма на неправилни ротационни осморки, които сключват помежду си ъгъл от 180°. Пример за такава хибридизация е Be в молекулата на BeCl₂.

Таква хибридизация е характерна и за Be в BeI₂, BeBr₂, за Hg в живачните дихалогениди, за въглеродните атоми, свързани чрез тройна връзка в молекулите на алкини, както и за C в молекулата на CO₂.

sp²-хибридизация (тригонална)

Три sp² орбитали.

Хибридизират една s- и две p-атомни орбитали. Трите нови хибридни орбитали са в една равнина и сключват помежду си ъгъл от 120°. Пример е молекулата на BF₃. Други молекули, в които централните атоми са в sp²-хибридно състояние, са SO₂ и въглеродните атоми, свързани чрез двойна връзка в молекулите на алкените.

sp³-хибридизация (тетрагонална)

четири sp³ орбитали

При нея си взаимодействат една s- и три p-орбитали. Четирите нови sp³-хибридни орбитали са насочени към върховете на правилен тетраедър, като ъгълът между тях е 109,5°. Типичен пример е молекулата на метана. В молекулата на водата кислородният атом също е в sp³-хибридно състояние, но две от четирите хибридни орбитали са заети с по една готова електронна двойка и не участват в образуването на химични връзки. Поради нееднаквото участие в образуването на връзки на четирите sp³-хибридни орбитали ъгълът е деформиран на 104°48′. Подобен е случаят с азотния атом в молекулата на амоняка. При нея една от четирите sp³-хибридни орбитали на азотния атом е заета от готовата му електронна двойка и не участва в образуването на химична връзка. Ето защо ъгълът е по-леко деформиран (107,5°) в сравнение с този на правилния тетраедър.

sp³d-хибридизация

Образуват се пет хибридни орбитали, които не са напълно равностойни. Три от тях лежат в една равнина, като сключват помежду си ъгъл от 120°, а другите две са перпендикулярни на тази равнина. В пространството хибридните орбитали са насочени към върховете на тригонална бипирамида. Такава е хибридизацията на фосфорния атом в молекулата на PCl₅, на молибдена в MoCl₅ и на желязото в Fe(CO)₅.

sp³d²-хибридизация

Такава хибридизация е характерна за атомите на сярата в SF₆, като в хода на химичното взаимодействие и образуването на връзките сярата преминава във възбудено състояние. Получените шест sp³d²-хибридни орбитали са насочени към върховете на правилен октаедър и сключват помежду си ъгъл от 90° и са енергетично равностойни

Литература

• „Неорганична химия“, Добри Лазаров