Согласно квантово-механическим представлениям о химической связи число образуемых атомом ковалентных связей определяется количеством одноэлектронных атомных орбиталей, то есть количеством неспаренных электронов.
Однако в действительности атомы элементов образуют большее число ковалентных связей, чем содержат неспаренных электронов на внешнем энергетическом уровне. Например, атом углерода в основном состоянии имеет два неспаренных электрона ( Ы Ъ' 2/У), а образует четыре ковалентные связи. Это можно объяснить возможностью перехода 25-электрона на 2 подуровень ( Is1 2s 2р-). Таким образом, на внешнем энергетическом уровне атома углерода находятся четыре неспаренных электрона: один-s и три -р. Поскольку химические связи образуются валентными электронами, то связи, например, в молекуле метана СН4 должны были бы быть неравноценными: одна связь С—H образована s-электроном, а три остальные — р. В действительности в молекуле метана все связи совершенно равноценны. Объяснения этого факта в квантовой механике вводится понятие о гибридизации атомных орбиталей (АО). Слово гибридизация означает взаимодействие, перекрывание, перемешивание. При взаимодействии одного s-электронного облака с тремя электронными облаками образуются четыре качественно новых гибридизированных электронных облака или атомные орбитали:
Ь + Зр = 45/У
Таким образом, из нескольких различных по форме и близких по энергии АО путем комбинирования (смешивания, сочетания) образуется такое же количество одинаковых по форме и равных по энергии гибридизованных атомных орбиталей. Гибрилизованные орбитали по сравнению с негибридизованными более выгодны геометрически, т. к. позволяют увеличить плошадь перекрывания с орбиталями других атомов, что ведет к образованию более прочных связей. Результатом перекрывания большей доли гибридной орбитали с орбиталями других атомов является ковалентная связь. Четыре равноценные орбитали между собой образуют угол 109о28' и ориентированы в пространстве от центра правильного тетраэдра к ею вершинам. Такое размещение связано со стремлением АО к максимальному удалению друг от друга за счет взаимного электростатического отталкивания. Расположение атомных орбиталей определяет название состояния spя гибридизации как тетраэдрическое.
Доля 5-облака в каждой из четырех гибридных орбиталей равна 4. В результате перекрывания таких орбиталей с другими орбиталями (5,/;, (! и гибридными sp*, sp2, sp) вдоль линии, соединяющей центры атомов, образуются только простые ковалентные связи — о (греч. «cu&ia») связи. Перекрывание атомных орбиталей вдоль линии, соединяющей центры атомов, называют о-перекрыванием или осевым, так как максимальная электронная плотность при этом находится на оси, соединяющей два ядра.
Состояние гибридизованных характерно для алканов. Рассмотрим образование о-связей на примере этана. Атомы углерода в этилене находятся гибридизация. Перекрывание трех гибридных орбиталей каждого из углеродов дает а-связи (четыре С-H и одну С-С). Кроме того, перекрывание двух негибридизованных р-орбиталей в плоскости, перпендикулярной плоскости а-связи, называют -перекрыванием, а образующаяся в результате связь — тс-связью. Ее максимальная электронная плотность сконцентрирована в двух областях — выше и ниже оси, соединяющей центры атомов. л-Связь менее прочна. Связь образуется только между атомами, которые находятся в sp:- или гибридизации.