Как за секунду определить sp³, sp² или sp и посчитать σ и π
У возбуждённого атома одна s- и три p-орбитали различны по форме и энергии. Но в метане все четыре связи одинаковы — значит, перед образованием связей орбитали смешиваются.
Гибридизация — смешивание атомных орбиталей разного типа с образованием одинаковых по форме и энергии гибридных орбиталей. Число гибридных орбиталей всегда равно числу исходных.
| Тип | Смешивается | Форма | Угол | Признак | Пример |
|---|---|---|---|---|---|
| sp3 | 1 s + 3 p | тетраэдр | 109°28′ | все связи одинарные | метан CH4 |
| sp2 | 1 s + 2 p | плоский треугольник | 120° | есть одна двойная | этилен C2H4 |
| sp | 1 s + 1 p | линия | 180° | тройная или две двойные | ацетилен C2H2 |
Смотрите не на формулу вещества, а на кратность связей у конкретного атома. Все связи одинарные — sp3. Есть одна двойная — sp2. Есть тройная или две двойные подряд — sp. Правило работает и для азота с кислородом.
σ-связь образуется перекрыванием орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра: она прочная, вокруг неё возможно свободное вращение. π-связь образуется боковым перекрыванием негибридных p-орбиталей: она слабее, вращение вокруг неё невозможно, а электронная плотность вынесена наружу — поэтому именно π-связь первой вступает в реакции.
| Связь | Состав | Длина, нм | Энергия, кДж/моль | Вращение |
|---|---|---|---|---|
| C–C | 1 σ | 0,154 | 348 | свободное |
| C=C | 1 σ + 1 π | 0,134 | 620 | невозможно |
| C≡C | 1 σ + 2 π | 0,120 | 814 | нет смысла (линия) |
Энергия двойной связи (620) меньше удвоенной энергии одинарной (348 · 2 = 696). Разница и есть «вклад» π-связи — он меньше вклада σ-связи. Отсюда вся химия алкенов, идущая по механизму присоединения.
В любой связи ровно одна σ-связь. Двойная добавляет одну π, тройная — две π. Значит, число σ-связей равно числу «чёрточек между атомами, считая кратные за одну», а π-связей — сумме «лишних» чёрточек.