Оси sp³-гибридных орбиталей направлены к вершинам правильного тетраэдра. Тетраэдрический угол между ними равен 109°28', что соответствует наименьшей энергии отталкивания электронов.

Впервые идею о направленности единиц сродства (валентностей) атома углерода по углам тетраэдра независимо друг от друга выдвинули в 1874 г. Вант-Гофф и Ле Бель.

sp³-Орбитали могут образовывать четыре σ-связи с другими атомами или заполняться неподеленными парами электронов.

А как наглядно изобразить пространственное строение атома в sp³-состоянии на рисунке?

В этом случае sp³-гибридные орбитали изображают не электронными облаками, а прямыми линиями или клиньями в зависимости от пространственной ориентации орбитали. Такое схематическое изображение используется при написании стереохимических (пространственных) формул молекул.

Переход от орбитальной модели (а) к пространственной формуле (б).

На примере молекулы метана показаны объемные модели и пространственная (стереохимическая) формула молекулы с sp³-углеродным атомом:

 


Модель молекулы метана

sp³-Гибридизованное состояние свойственно атому, если сумма числа связанных с ним атомов и числа его неподеленных электронных пар равна 4 (схема).

Углерод в sp³-гибридном состоянии находится в простом веществе алмазе – одной из аллотропных форм углерода (см. иллюстрации).
Это состояние характерно для атомов С, N, O и др., соединенных с другими атомами одинарными связями (sp³-атомы выделены красным цветом):

СH₄, RCH₃, NH₃, RNH₂, H₂O, ROH, R₂O;а также анионам типа:    R₃C:^–,    RO

Энергия орбитали возрастает по мере удаления электрона от ядра атома (т.е. с увеличением номера электронного уровня). Кроме того, в пределах одного уровня s-электроны находятся ближе к ядру, чем р-электроны. Поэтому для разного типа гибридных АО энергия уменьшается с увеличением вклада s-АО в гибридизованное состояние:

Сравнение энерги и негибридных и гибридных АО на примере элементов 2-го периода приводит к следующему ряду:

Ниже показаны относительные уровни энергии атомных орбиталей и распределение на них электронов для атома углерода в основном, возбужденном и гибридизованных состояниях: