Коротко — гибридизация задаёт геометрию и s‑характер орбиталей; вместе с разностью электроотрицательностей это определяет полярность связей и суммарный диполь молекулы. Основные моменты:
- s‑характер и «электроотрицательность» атома: чем больше s‑характер гибридной орбитали, тем ближе электроны к ядру и тем выше эффективная электроотрицательность атома. Для углерода: $\mathrm{sp}$ — $50\%$ s; $\mathrm{s}{\mathrm{p}}^2$ — $33\%$ s; $\mathrm{s}{\mathrm{p}}^3$ — $25\%$ s. Следствие: связи C–X с $\mathrm{sp}$-C обычно более полярны (C более электрофильный) и C–H сильнее/короче, чем с $\mathrm{s}{\mathrm{p}}^3$-C.
- Геометрия и векторная сумма диполей: гибридизация фиксирует углы связей — если расположение симметрично, диполи отдельных связей могут компенсироваться, делая молекулу неполярной, даже при полярных связях.
Примеры:
1) $\mathrm{sp}$ (линейная, угол $180^{\circ }$):
- Геометрия: линейная.
- Электрические/физические следствия: увеличенный s‑характер → более короткие/сильные C–H/ C–X связи, повышенная кислотность терминальных C–H. Пример кислотности: терминальный алкин $\mathrm{p}{K}_a\approx 25$ (в сравнении с алкеном $\mathrm{p}{K}_a\approx 44$ и алканом $\mathrm{p}{K}_a\approx 50$).
- Примеры молекул: $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ (линейная, два полярных C=O диполя компенсируются → молекула неполярна); ацетилен $\mathrm{HC}\equiv \mathrm{CH}$ — почти неполярен (симметрия).
2) $\mathrm{s}{\mathrm{p}}^2$ (плоская, угол $120^{\circ }$):
- Геометрия: триг.-плоская, все связи в одной плоскости.
- Электрические/физические следствия: средний s‑характер → промежуточная полярность связей; плоская геометрия даёт векторную сумму диполей в плоскости — зависит от замещений.
- Примеры: этен $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$ — симметричен и неполярен; формальдегид ${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{O}$ — сильно полярен ($\mu \approx 2.3\mathrm{D}$), потому что полярная C=O не компенсируется в плоскости.
3) $\mathrm{s}{\mathrm{p}}^3$ (тетраэдрическая, угол $109.5^{\circ }$):
- Геометрия: тетраэдрическая, 3D‑распределение.
- Электрические/физические следствия: меньший s‑характер → менее электроотрицательный C; при симметричных замещениях диполи компенсируются, при асимметрии — молекула полярна. Полярные молекулы обычно имеют более высокую температуру кипения и лучшую растворимость в полярных растворителях.
- Примеры: метан $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$ — неполярен; хлорометан $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{Cl}$ — полярен; тетрахлорметан $\mathrm{CC}{\mathrm{l}}_4$ — неполярен (симметрия тетраэдра).
Вывод: гибридизация задаёт геометрию и s‑характер, которые вместе с электроотрицательностью заместителей определяют полярность связей и молекул; симметрия геометрии решает, компенсируются ли векторы диполей.