4.3.1. sp3-Гибридизация

4.3.1. 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 (109 822 байт).

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 (8009 байт)

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 s-связи с другими атомами или заполняться неподеленными парами электронов.

А как наглядно изобразить пространственное строение атома в sp³-состоянии на рисунке?

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.

Углерод в sp3-гибридизированном состоянии (5 390 байт)
Переход от орбитальной модели (а) к пространственной формуле (б).

См. также рисунок (13 810 байт).

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

Модель молекулы метана

Рисунок (8575 байт) и анимация (29443 байт) иллюстрируют строение молекулы этана C₂H₆.

sp³-Гибридизованное состояние свойственно атому, если сумма числа связанных с ним атомов и числа его неподеленных электронных пар равна 4 (рисунок, 14 930 байт).

Углерод в sp³-гибридном состоянии встречается в простом веществе - алмазе (14 547 байт).
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 в анионах типа: R₃C:^-, RO^- и т.п. Следствием тетраэдрического строения sp³-атома является возможность существования двух зеркальных стереоизомеров у соединения, содержащего такой атом с четырьмя разными заместителями (Вант-Гофф, Ле Бель, 1874).