3.3.3   Hybrydyzacja

Rozwój badań strukturalnych pozwolił określić parametry wiązań chemicznych takie, jak odległości międzyatomowe i rozmieszczenie atomów w cząsteczkach. Okazało się, że wiązania chemiczne utworzone przez nakładanie się orbitali atomowych mają często inne usytuowanie w przestrzeni niż to, które wynika z kształtu wyjściowych orbitali atomowych. Kąty między wiązaniami w cząsteczce benzenu lub cząsteczce metanu różnią się od siebie i nie są równe 90° jak by to wynikało z kątów między orbitalami p w atomie węgla. Oznaczone odległości między atomami węgla i wodoru w metanie wykazały, że wszystkie cztery wiązania są jednakowej długości. Stan ten nie wynika bezpośrednio z konfiguracji walencyjnych elektronów węgla s²p². Atom węgla mając zróżnicowane pod względem energii orbitale s i p powinien tworzyć odmienne typy wiązań chemicznych z udziałem każdego z tych orbitali. Powinien tworzyć wiązania o zróżnicowanej długości i energii. Doświadczenie pokazuje, że tak nie jest. Każdy z atomów wodoru w metanie posiada te same właściwości, każde wiązanie C-H jest równocenne. Oznacza to, że w trakcie tworzenia wiązań chemicznych następują zmiany w konfiguracji elektronowej atomu węgla polegające na ujednorodnieniu orbitali atomowych. Tłumaczy to teoria hybrydyzacji. Podczas tworzenia metanu sytuacja wyjściowa jest następująca: Atom węgla ma konfigurację 1s² 2s²p²:

Przy zbliżaniu się do atomu węgla atomów wodoru następuje wzbudzenie atomu węgla polegające na przeniesieniu elektronu 2s na wolne miejsce na orbitalu 2p. Konfigurację elektronową stanu wzbudzonego przedstawia zapis:

Ta struktura pozwala wytworzyć cztery wiązania za pomocą czterech niesparowanych elektronów, ale nie tłumaczy równocenności wiązań. Między orbitalami s i p zachodzi proces hybrydyzacji (ujednorodnienia, wymieszania) wynikający z korzystnych zmian energetycznych towarzyszących lepszemu usytuowaniu zhydrydyzowanych orbitali sp³ w przestrzeni (rys.23).

Rysunek 23. Tworzenie się orbitali sp³ przez hybrydyzację orbitalu s i trzech orbitali p.

Konfigurację zhybrydyzowanego orbitalu sp³ przedstawia zapis:

W tej sytuacji atom węgla może utworzyć cztery jednakowe wiązania, których kształt przestrzenny oddają linie łączące środek tetraedru (czworościan regularny) z jego narożami. W środku ciężkości tetraedru znajduje się atom węgla, który tworzy wiązania za pomocą zhydrydyzowanych orbitali skierowanych ku czterem narożom tetraedru. Kształt i rozmiar orbitali jest identyczny, a kąty między nimi są równe i wynoszą 109,5°. Po utworzeniu czterech wiązań kowalentnych z czterema atomami wodoru konfiguracja elektronowa atomu węgla przedstawia się następująco:

Na tej samej zasadzie, na planie tetraedru, powstają cząsteczki NH₃ i H₂O, w których atomy azotu i tlenu uległy hybrydyzacji sp³ (rys.24).

Rysunek 24. Tetraedryczna struktura cząsteczek metanu, amoniaku i wody.

Niektóre nie obsadzone atomami wodoru naroża tetraedru w omawianych związkach zajmują wolne pary elektronowe. W amoniaku jest jedna taka para, a w cząsteczce wody dwie. Obecność wolnych par elektronowych zaburza nieco symetrię cząsteczki wskutek odpychania się elektronów, co powoduje, że kąt między wiązaniami H-N-H wynosi 107,3°, a H-O-H 104,5°. Obecność wolnych par elektronowych wpływa w istotny sposób na właściwości związków chemicznych, bowiem niezrównoważona struktura elektronowa cząsteczki powoduje powstanie momentu dipolowego.

Atom węgla może, oprócz hybrydyzacji sp³, także ulegać hybrydyzacji sp² i sp (rys.25).

Rysunek 25. Hybrydyzacja sp³, sp² i sp węgla .

Hybrydyzacja sp² polega na wymieszaniu się orbitalu s z dwoma orbitalami p z wytworzeniem struktury płaskiej (rys.25). Wiązania wytworzone z udziałem zhybrydyzowanych orbitali sp² leżą na jednej płaszczyźnie, a kąt między nimi wynosi 120° . W cząsteczce etenu C₂H₄ (etylenu), przedstawionej na rys.26. atomy węgla wytwarzają za pomocą zhybrydyzowanych orbitali sp² (kolor czerwony) wiązanie (kolor niebieski) wiążąc po dwa atomy wodoru i tworząc wiązanie między sobą, a niezhybrydyzowane orbitale p (kolor zielony) tworzą wiązanie (kolor żółty). Wszystkie atomy leżą na tej samej płaszczyźnie, a wiązanie usztywnia cząsteczkę uniemożliwiając swobodny obrót wokół wiązania C-C.

Rysunek 26. Tworzenie się wiązań i w cząsteczce etenu H₂C=CH₂.

Hybrydyzacja sp² występuje także w pierścieniu aromatycznym. W benzenie za pomocą zhybrydyzowanych orbitali sp² atom węgla wiąże się sąsiednimi atomami węgla i z atomem wodoru. Hybrydyzacja sp² sprawia, że cząsteczka benzenu jest płaska, zatem wszystkie tworzące ją atomy węgla i wodoru leżą w jednej płaszczyźnie. Nie biorące udziału w hybrydyzacji elektrony p każdego atomu węgla tworzą wiązanie (rys.27). Zdelokalizowany sekstet elektronów jest odpowiedzialny za charakter aromatyczny połączeń.

Rysunek 27. Struktura pierścienia benzenowego, wiązania i między atomami węgla.

Hybrydyzacja sp polega na wymieszaniu się orbitalu s z jednym orbitalem p z wytworzeniem struktury liniowej. Wszystkie wiązania wytworzone z udziałem zhybrydyzowanych orbitali sp leżą wzdłuż jednej prostej . W cząsteczce etynu C₂H₂ (acetylenu), przedstawionej na rys.28 atomy węgla wytwarzają za pomocą zhybrydyzowanych orbitali sp (kolor czerwony) wiązanie (kolor niebieski) wiążąc dwa atomy wodoru i tworząc wiązanie między sobą, a niezhybrydyzowane dwa orbitale p (kolor zielony) tworzą dwa wiązania (kolor żółty). Wiązania usztywniają cząsteczkę uniemożliwiając swobodny obrót wokół wiązania C-C. 

 Rysunek 28. Tworzenie się wiązań i w cząsteczce etynu