Начнем с того, что при образовании химической связи атом углерода (как и любой другой) всегда становится «возбужденным». Это происходит потому, что реагирующие вещества при проведении химической реакции обычно нагревают или облучают светом, лучи которого обладают определенной энергией. Это делают для того, чтобы химическая реакция началась и полностью завершилась. Вот почему происходит «возбуждение» атома. При этом углеродный атом перестраивает электронную конфигурацию во втором энергетическом уровне: один из двух 2s-электронов переходит на свободную (третью) 2p-орбиталь:
После такого перехода на внешнем электронном уровне находятся уже не два, а четыре неспаренных электрона (один 2s- и три 2p-электрона). Таким образом, в «возбужденном» состоянии атом углерода имеет другую конфигурацию электронов: 1s22s2p3.
Конечно, для такого перехода, как уже говорили, необходимо затратить энергию, и, кстати, немалую. Но эта энергия не пропала даром. Наоборот, она окупается за счет того, что углерод становится четырехвалентным и способен теперь образовывать четыре химические связи.
Итак, на внешнем электронном уровне атома углерода четыре неспаренных электрона (2s, 2рх, 2py, 2pz,). Но энергия-то у них разная. У них даже формы орбиталей различаются: одна орбиталь — сферическая (не ориентирована в пространстве), а три другие — взаимно перпендикулярны друг к другу. Не приведет ли это к тому, что углеродный атом образует четыре различающиеся между собой химические связи? Нет, этого опасаться не стоит. И вот почему.
Хорошо известно, что в симметрично построенных молекулах (метан СН4, четыреххлористый углерод СCl4 и др.) четыре связи углерода практически одинаковы. Это происходит потому, что для атома крайне невыгодно, если его связи образованы электронами с различной энергией. Не только математический подход, но даже здравый смысл говорит о том, что в молекуле, например, метана электроны находятся не на «чистых» 2s- и 2p-орбиталях, а на смешанных — гибридных. Такие орбитали симметрично расположены в пространстве и имеют одинаковую энергию. Процесс образования гибридных орбиталей химики назвали гибридизацией.
Для атома углерода возможны три типа гибридизации. Рассмотрим их подробнее.
Первый тип гибридизации — sp3-гибридизация. Она происходит при «смешении» (комбинации) одной 2s-орбитали и трех 2p-орбиталей. В результате образуются четыре одинаковые sp3-гибридные орбитали, каждая из которых имеет грушевидную форму (одна часть «гантели» стала вытянутой в одну сторону от ядра) (рис. 8).
Такая форма очень выгодна. При образовании химических связей она способствует более полному перекрыванию с орбиталями других атомов. А чем полнее такое перекрывание, тем прочнее химическая связь. В пространстве четыре sp3-гибридные орбитали строго ориентированы друг относительно друга и образуют своими утолщенными областями геометрическую фигуру — тетраэдр. Поэтому углы между осями гибридных орбиталей составляют 109°28' (рис. 9). Углеродный атом с sp3-гибридными орбиталями участвует в образовании соединений с простой связью: метана, этана, пропана и подобных им углеводородов — алканов.
Второй тип гибридизации — sp2-гибридизация. При «смешении» одной 2s- и двух 2p-орбиталей образуются три одинаковые sp2-гибридные орбитали. Они располагаются в одной плоскости под утлом 120° друг к другу (рис. 10). Третья 2p-орбиталь не вступает в гибридизацию и сохраняет свою обычную форму. Эта орбиталь располагается в плоскости, которая перпендикулярна плоскости трех гибридных орбиталей (рис. 11). Этот тип гибридизации характерен для углерода, который входит в состав соединений с двойной связью — алкенов (например, этилена, пропилена и др.).