Еще немного о концепции гибридизации

Для понимания природы углеродной связи необходимо рассмотреть электрон­ную структуру атома углерода. В нем имеется шесть электронов, которые в невоз­бужденном атоме находятся на низших энергетических уровнях. Когда атом угле­рода связан в молекуле с другими атомами, его электронная структура выглядит так: (1 s)², (2 s), (2 р_х), (2 р_у), (2 p_z). На нижнем уровне 1 s с квантовым числом n = 1 находятся два электрона с противоположно направленными спинами. Распреде­ление заряда электрона в s -состоянии сферически симметрично. Эти l s -электроны не принимают участия в образовании химических связей. Остальные четыре электрона находятся на уровнях с n = 2: один — на сферически симметричной s -орбитали, три — на р_х -, р_у - и p_z -орбиталях. Распределения заряда на p -орбиталях имеют сильно удлиненную в одном направлении форму и их оси взаимно пер­пендикулярны (а). Внешняя s -орбиталь и три p -орбитали и формируют химические связи атома углерода с другими атомами. Распределения зарядов, связанных с этими орбиталями, смешиваются, или другими слова­ми, перекрываются с распределениями зарядов каждого связанного с углеродом атома. Можно рассматривать облако электронного заряда между дву­мя связанными атомами как клей, сцепляющий эти атомы. На основе таких уп­рощенных рассуждений молекула метана (СН₄) могла бы иметь вид, показанный на рис. (б), где все связи Н — С перпендикулярны друг другу. Однако в действи­тельности структура молекулы метана не такая, а тетраэдрическая, с углами меж­ду углеродными связями, составляющими 109°28' (в). Этот факт объясняет концепция гибридизации. В атоме углерода разность энергий между 2 s - и 2 р - уровнями очень мала, что позволяет волновым функциям 2 s -состояния смешиваться с одной или несколькими волновыми функциями 2 р -состояния. Ненормализованная волновая функция Ψ валентного со­стояния может быть записана в виде:

Ψ = s + l p,

где р означает смесь p_i орбиталей. При такой гибридизации направления лепестков р -орбиталей и угла между ними меняются. Углы зависят от отно­сительного коэффициента смешива­ния l р -состояний c s -состояниями. Для линейной струк­туры ацетилена (Н–С≡С–Н), планарной структуры этилена (Н₂С=СН₂) и тетраэдрической структуры метана (СН₄) углы между связя­ми составляют 180°, 120° и 109°28' соответственно. Обычно боль­шинство углов между связями углерода в органических молекулах имеет имен­но эти значения. Например, угол угле­родной связи в алмазе равен 109°, в графите и бензоле — 120°.

Твердый углерод имеет две основные формы, называемые аллотропными мо­дификациями, — алмаз и графит. Они стабильны при комнатной температуре. Ал­маз состоит из атомов углерода, тетраэдрически связанных друг с другом посред­ством sр ³-гибридизированных связей, образующих трехмерную сетку. У каждого атома углерода – четыре ближайших соседа. Графит имеет слоистую структуру, причем каждый слой образован шестиугольниками из атомов углерода, связан­ных посредством sр ²-гибридизированной связи, угол между которыми составляет 120°. У каждого атома углерода есть три ближайших соседа в плоскости слоя. Эти гексагональные слои связаны друг с другом относительно слабыми силами Ван дер Ваальса.

В полупроводниковой наноэлектронике и в нанотехнологии широко используются хорошо известные из интегральной электроники такие материалы как кремний, германий, их твердые растворы, соединения А^IIIВ^V (GaAs, AlAs, GaP, InP и др.) и твердые растворы на их основе, соединения А^IIВ^VI и многие другие, а также широко известные диэлектрические материалы и металлы. В последние годы появились новые перспективные для нанотехнологий углеродные нанообразования, такие как фуллерены, углеродные нанотрубки и графен. Очень интересные свойства и широкую перспективу применения имеют тонкие слои гибридных нанокомпозитов, полученные методом Ленгмюра-Блоджетт.