Сквозь химические облака. sp²

На секунду вернемся к sp³-гибридизации.

Она возникает тогда, когда все четыре валентных электрона участвуют в формировании электронных пар и образуют связи с четырьмя соседними атомами:

Если же соседа только три, в гибридизации будут принимать участие три из четырех электронов: один s-электрон, и два p-электрона, отсюда и название sp²-гибридизация.

На рис. ⬆️ изначально была одна шарообразная s-орбиталь в центре и три взаимно перпендикулярные p-орбитали. Вдоль орбиталей введены координатные оси х, y, z.
Участвуют только две p-орбитали в плоскости xOy (третья p-орбиталь не показана). В этой же плоскости получаются три гибридизованные орбитали с σ-связями на кончиках.
Т.к. σ-связь - это область повышенной электронной плотности между атомами, то они отталкиваются друг от друга, а потому отклоняются на максимально возможный угол 120° (привет, геометрия) и образуют равносторонний треугольник вокруг центра атома. Весь треугольник оказывается в плоскости xOy.

И где π-связь?

А куда делась третья, негибридизованная p-орбиталь?

Посмотрите на рис. ⬆️на молекулу этилена. Здесь σ-связи уже обозначены просто палочками, чтобы не отвлекаться на них. А «гантели» ♾️ негибридизованных p-орбиталей показаны салатовыми облаками. Как мы и говорили, эти «гантели» перпендикулярны плоскости σ-связей каждого атома (вдоль оси z), а еще они тоже накладываются друг на друга, образуя область повышенной электронной плотности, показанную условно зеленым пунктиром. Вот! 

Это и есть π-связь!
Кстати, на рисунке выглядит так, будто тут две π-связи. Но нет, гантельки-то и сверху и снизу одни и те же, значит, это единая π-связь сформированная двумя областями повышенной электронной плотности.

Откуда берется цис-транс-изомерия

А теперь важное упражнение: вернемся к рисунку этилена, и мысленно проведем плооскость уже через оси наших p-гантелей (вдоль оси z):

Эта плоскость перпендикулярна плоскости σ-связей (xOy). И теперь две отдельно взятые σ-связи могут оказаться либо по одну сторону плоскости p-облаков, либо по разные, как на рисунке. Вот откуда берется цис-транс-изомерия!

А теперь самое интересное, все же:

Откуда берется делокализация π-связей?

Теперь, когда мы поняли, что π-связь - это просто наложение негибридизованных p-облаков у двух атомов, всё встает на свои места.
В молекуле пропена:
H₂C=CH-CH₃
Только два атома углерода имеют негибридизованные «гантели», они будут накладываться и формировать π-связь. Третий атом не имеет «гантели», он будет связан со вторым углеродом только σ-связью. А вот в бутадиене:
H₂C=CH-CH=CH₃
второй и третий углероды - оба имеют p-орбитали, и они будут накладываться почти так же, как накладываются p-орбитали первого со вторым и третьего с четвертым. Вот почему именно у сопряженных диенов возникает этот эффект делокализации:

Впрочем, у бутадиена делокализация частична, все же наложение облаков между средними углеродами оказывается не таким же, как по краям, и длина связи между С₂ и С₃ отличается от длины связей по краям.
А вот если сопряженную систему замкнуть в кольцо⬆️, уже не станет никаких крайних и средних связей, все связи между углеродами окажутся равноправны, и мы получим идеальный шестиугольник в случае бензола. Вот почему традиционно систему кратных связей в аренах рисуют просто сплошным кольцом!