Типы (виды) гибридизации

Гибридизация — это математическая модель в валентной связи (VB), где атомные орбитали «смешиваются» в эквивалентные гибридные, чтобы лучше объяснить форму молекул и σ-связи. Тип гибридизации чаще всего определяется степенью координации (стерическим числом = число σ-связей + число неподелённых пар) и соотносится с предсказанной геометрией VSEPR.

Базовые типы для p-элементов

1. sp

   • Состав: 1 s + 1 p → 2 гибридные орбитали

   • Геометрия / угол: линейная, ~180°

   • Стерическое число: 2

   • Где встречается: атомы C, N, O в алкинах и нитрилах; CO₂ (у C), BeCl₂ (у Be)

   • Особенности: 2 оставшиеся p-орбитали образуют две π-связи → характерны тройные связи.

2. sp²

   • Состав: 1 s + 2 p → 3 гибридные орбитали

   • Геометрия / угол: тригональная плоскость, ~120°

   • Стерическое число: 3

   • Где встречается: алкены (у C), бензол (ароматические системы), альдегиды/кетоны (у карбонильного C и часто у O в модели VB)

   • Особенности: одна оставшаяся p-орбиталь ⟂ плоскости даёт одну π-связь.

3. sp³

   • Состав: 1 s + 3 p → 4 гибридные орбитали

   • Геометрия / угол: тетраэдр, идеальный ~109,5°

   • Стерическое число: 4

   • Где встречается: алканы (метан), аммиак (NH₃), вода (H₂O), галогеналканы

   • Особенности: наличие неподелённых пар «сжимает» угол: NH₃ ~107°, H₂O ~104,5°.

Расширенные типы (классическая школьная модель для гипervalентных молекул)

Исторически вводят участие d-орбиталей у элементов 3-го периода и ниже. В современной интерпретации гипервалентность главной подгруппы лучше описывают делокализацией и 3c–4e-связями, однако ниже — традиционная нотация, которой часто пользуются в задачах.

4. sp³d (или dsp³)

   • Состав: 1 s + 3 p + 1 d → 5 гибридов

   • Геометрия: тригональная бипирамида (90°, 120°, 180°)

   • Стерическое число: 5

   • Примеры: PCl₅ (газ), SF₄ (смещённая «качалка» из-за неподелённой пары), ClF₃ (T-образная)

5. sp³d² (или d²sp³)

   • Состав: 1 s + 3 p + 2 d → 6 гибридов

   • Геометрия: октаэдр (90°, 180°)

   • Стерическое число: 6

   • Примеры: SF₆ (октаэдр), BrF₅ (квадратно-пирамида при 1 НП), XeF₄ (квадратная плоскость при 2 НП)

6. sp³d³

   • Состав: 1 s + 3 p + 3 d → 7 гибридов

   • Геометрия: пентагональная бипирамида

   • Стерическое число: 7

   • Примеры: IF₇

Переходные металлы (координационные соединения)

Для комплексов d-металлов говорят о гибридизации центра:

• dsp² — квадратная плоскость (например, [Ni(CN)₄]²⁻ низкоспиновый, Pd(II), Pt(II));

• sp³ — тетраэдр (например, [NiCl₄]²⁻ высокоспиновый);

• d²sp³ / sp³d² — октаэдрические комплексы (например, [Fe(CN)₆]³⁻/⁴⁻, [Co(NH₃)₆]³⁺).
  Выбор схемы связан с кристаллополевым/лигандным полем (высоко-/низкоспинность), а не только с формальной «смешиваемостью» орбиталей.

Как быстро определить тип в задачах

1. Посчитать стерическое число (SN): SN = число σ-связей к атому + число неподелённых пар.

2. Сопоставить с типом:

   • SN=2 → sp (линейная)

   • SN=3 → sp² (тригональная плоскость)

   • SN=4 → sp³ (тетраэдр; при НП — «изогнутая», «триг. пирамида»)

   • SN=5 → sp³d (тригональная бипирамида; НП занимают экваториальные позиции)

   • SN=6 → sp³d² (октаэдр; НП дают квадратную пирамиду/плоскость)

   • SN=7 → sp³d³ (пентагональная бипирамида)

Важные нюансы и правила

• Гибридизация — модель. Она удобна для геометрии и качественного анализа σ/π-связей, но не единственно «истинное» описание. Для тяжёлых p-элементов вклад d-орбиталей в ковалентную связь мал; геометрии хорошо описываются VSEPR и молекулярными орбиталями.

• Правило Бента: «более p-богатая» гибридная орбиталь направляется к менее электроотрицательному заместителю; отсюда вариации углов (например, в CH₃F vs CH₄).

• Резонанс/делокализация: при сильной π-делокализации (бензол, карбонат) говорить о единственном типе гибридизации у «центра» корректно только как о локальной аппроксимации (обычно sp²).

• Количество σ-связей = числу гибридных орбиталей, π-связи формируются не гибридными p-(или d-)орбиталями, оставшимися после гибридизации.

Короткая сводка по примерам

• sp: HC≡CH (оба C sp), CO₂ (C sp)

• sp²: этен (каждый C sp²), карбонильный C в ацетоне, атомы в бензольном кольце

• sp³: CH₄, NH₃, H₂O, C в этане

• sp³d: PCl₅, SF₄, ClF₃

• sp³d²: SF₆, XeF₄, BrF₅

• sp³d³: IF₇

• dsp² (комплексы): [PtCl₄]²⁻ (квадратно-плоский)

• d²sp³ / sp³d²: [Co(NH₃)₆]³⁺ (октаэдр)