А. Гибридизация орбиталей и химические связи

Большинство биомолекул — соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, серой или фосфором. Устойчивые ковалентные связи между этими атомами неметаллов образуются в результате перекрывания определённых орбиталей двух атомов и формирования молекулярных орбиталей (см. Кинетика химических реакций), на которых располагаются по одному электрону от каждого атома. Так, четыре валентных электрона атома углерода занимают атомные орбитали 2s и 2р (1а). 2s-Орбиталь имеет форму шара (шаровую симметрию), а три 2p-орбитали — форму гантелей, вытянутых вдоль осей х, у, z. Следовало ожидать, что атомы углерода будут образовывать по крайней мере две различные молекулярные орбитали. Однако в действительности все четыре связи эквивалентны за счёт гибридизации орбиталей. Благодаря суммированию энергий одной s- и трёх р-орбиталей атом углерода образует четыре равноценные sp³-атомные орбитали, направленные по осям тетраэдра (sp³-гибридизация). Перекрывание таких орбиталей с 1s-орбиталями атомов водорода приводит к образованию четырёх σ-молекулярных орбиталей (1б). Это означает, что валентность атома углерода равна четырём, а в молекуле метана (CH₄) имеются четыре простые (одинарные) ковалентные связи. По такому же принципу образуются простые связи между другими атомами. Так, фосфат-анион и катион аммония также имеют тетраэдрическую форму (1в).

Часто встречается тип связи, образованной за счёт гибридизации 2s-орбитали только с двумя из трёх 2p-орбиталей (sp²-гибридизация, 2а). В результате формируются три эквивалентные гибридные sp²-орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120°. Оставшаяся 2p_x-орбиталь располагается перпендикулярно плоскости. При формировании молекулярных орбиталей такие атомы могут образовывать два различных типа связей (2б): три sp²-орбитали образуют σ-связи, как описано выше, а электроны двух 2p_х-орбиталей от двух атомов, то есть π-электроны, — вытянутую молекулярную π-орбиталь над и под плоскостью, занимаемой σ-связями. Этот тип связи носит название двойной связи. Двойные связи состоят из одной σ- и одной π-связей. Такой тип связи образуется лишь при наличии sp²-гибридизации у двух атомов, принимающих участие в её образовании. В отличие от простой связи вращение вокруг двойных связей невозможно, поскольку это должно вызывать разрушение π-орбиталей. Поэтому атомы при двойной связи лежат в одной плоскости (2в), что в свою очередь делает возможным существование цис- и транс-изомеров (см. Изомерия).

Статьи раздела «Химические связи»:

• А. Гибридизация орбиталей и химические связи
• Б. Мезомерия (резонанс)

— Следущая статья   |   — Вернуться в раздел