Най-простото органично съединение е метанът. Молекулата му се състои от пет атома - един въглероден атом и четири водородни атома, равномерно разпределени в пространството около този централен въглероден атом. Тук се сблъскваме преди всичко с най-важния постулат на органичната химия - във всички незаредени органични молекули въглеродът винаги е четиривалентен. Графично това се изразява във факта, че трябва да се свърже с химическите символи на други елементи или същия въглерод с четири тирета. В метана всичките четири водородни атома са на едно и също разстояние от въглеродния атом и са възможно най-отдалечени един от друг в пространството.

В молекулата на метана въглеродният атом е разположен в центъра на правилен тетраедър, а четири водородни атома са разположени в неговите върхове.

Ето как изглежда една молекула метан, като се вземе предвид размерът на атомите.

За да изградим модел на молекула, нека вземем тетраедър, тоест правилен тетраедър, съставен от равностранни триъгълници, и поставим въглероден атом в центъра му. Водородните атоми ще бъдат разположени във върховете на тетраедъра. Свържете всички водороди към централния въглероден атом. Ъгълът α между две такива линии ще бъде 109 градуса и 28 минути.

И така, създадохме модел на метан. Но какви са размерите на молекулите в действителност? През последните десетилетия с помощта на физически методи за изследване (които ще бъдат разгледани по-долу) беше възможно точно да се определят междуатомните разстояния в молекулите на органичните съединения. В една молекула метан разстоянието между центровете на въглероден атом и всеки водороден атом е 0,109 nm (1 нанометър, nm, е равен на 10 -9 m). За да визуализират как изглежда една молекула в космоса, те използват моделите на Stuart-Briegleb, в които атомите са изобразени като топки с определен радиус.

Сега нека си зададем този въпрос: какви сили свързват атомите в молекулата на едно органично съединение, защо водородните атоми не излизат от въглеродния център?

Въглеродният атом се състои от положително заредено ядро ​​(зарядът му е +6) и шест електрона, заемащи различни орбитали * около ядрото, всяка от които съответства на определено ниво на енергия.

* (Орбитала може да се разглежда като област от пространството, в която вероятността за среща с електрон е най-висока.)

Два електрона заемат най-ниската орбитала, най-близо до ядрото. Те най-силно взаимодействат със "своето" ядро ​​и не участват в образуването на химични връзки. Друго нещо са другите четири електрона. Смята се, че в така наречения невъзбуден въглероден атом, тоест в отделен атом, който не образува никакви връзки с други атоми, тези електрони са подредени по следния начин: два на долното подниво си две на по-високо подниво Р. Донякъде опростено и схематично можем да приемем, че облакът, който образува електрон, разположен върху с-подниво, има формата на сфера. Облаци Р-електроните изглеждат като обемни осмици и тези осмици могат да бъдат разположени в пространството по осите x, yи z. Съответно всеки атом има три Р-орбитали: p x , r yи pz. И така, всяка орбитала в атома има определена форма и е разположена в пространството по специален начин.

За да взаимодейства с други атоми, за да образува химически връзки с тях, въглеродният атом трябва преди всичко да влезе в специален, възбудено състояние.В този случай един електрон скача от с-орбитали на стр- орбитален. В резултат на това един електрон заема сферична с-орбитала, а останалите три електрона образуват три орбитали във формата на осмица. Тази позиция обаче е енергийно неизгодна за атома. По-ниската енергия на атома съответства на четири еднакви орбитали, симетрично разположени в пространството. Следователно смесването, осредняването или, както се казва, хибридизацияна разположение орбитали, което води до четири нови идентични орбитали.

Тези хибридни орбитали също изглеждат като осмици, но осмиците са едностранни: електронната плътност е почти напълно изместена на една страна. Такива хибридизирани орбитали са означени sp 3(според броя на електроните от различни нехибридни орбитали, участващи в тяхното образуване: един с с-орбитали и три - с Р-орбитали).

Как е подредена молекулата на метана? Към всяка от четирите хибридни орбитали, насочени от въглеродния атом в различни посоки (или по-скоро към ъглите на въображаем тетраедър, който може да бъде изграден около него), се вписват водородни атоми H. Водородният атом е ядро ​​със заряд + 1 (за лек изотоп на обикновен водород - просто протон), и един електрон, заемащ сферична орбитала около протона. Облаците от "въглеродни" и "водородни" електрони се припокриват и това означава образуването на химична връзка. Колкото повече се припокриват електронните облаци на различни атоми, толкова по-силна е връзката. Сега става ясно защо хибридизираните орбитали са по-изгодни - в края на краищата такава едностранна, изпъкнала осмица може да се припокрива много по-силно с облак от водороден електрон, отколкото по-малко разширените нехибридни орбитали в космоса. Имайте предвид, че тези аргументи са донякъде произволни: чист, така да се каже, единичен и невъзбуден въглероден атом всъщност не съществува. Следователно няма смисъл да се обсъжда как всъщност се случват всички тези трансформации на орбиталите, наречени хибридизация. Въпреки това, за удобството на описването на химични връзки с помощта на формули и числа, такива конвенции се оказват полезни. Ще виждаме това отново и отново.

Как да получите метан?

Един от най-простите начини е да действате върху алуминиев карбид с вода:

Алуминиевият карбид обаче е твърде скъп изходен материал, за да се получи такъв общ, толкова евтин продукт като метан и няма нужда да се получава от други съединения - в края на краищата природният газ се състои от 85-98% метан.

Метанът е един от основните градивни елементи, от които могат да бъдат изградени органични съединения. Какви са тези съединения и как да ги получим от метан?

Всъщност метанът е сравнително инертно вещество и наборът от химични реакции, които могат да се извършат с него, е малък.

Нека вземем смес от два газа - метан и хлор и я сложим в стъклен съд. Ако този съд се държи на тъмно, тогава не се наблюдава реакция. Но нека се опитаме да осветим бутилката със слънчева светлина ..

Квант светлина взаимодейства с хлорна молекула, в резултат на което молекулата се разделя на две части - два хлорни атома:

Получените атоми са много по-активни от молекулите, те веднага атакуват молекулите на метана и улавят водородните атоми. В този случай се образуват молекули на хлороводород HCl и много нестабилни, много активни частици, така наречените метилови радикали ⋅CH 3:

Резултатът е вече познат ни хлорен атом (по-нататъшната му съдба не е трудно да се предвиди: той атакува нови молекули метан и всичко се повтаря), а хлорометанът или метилхлоридът е производно на метана, в което един от водородните атоми е заменени с хлор.

Реакцията, която описахме, спада към категорията на т.нар верижни реакции, при което всеки етап, като във верига, е свързан с предходния и със следващия. Активните частици - продуктът на един етап (тук това са хлорни атоми и метилови радикали ⋅CH 3) - се използват в следващия етап като изходни материали. Откриването на верижните реакции е едно от най-големите събития в историята на химическата наука, а академик Н. Н. Семенов и английският учен С. Н. Хийшелуд са удостоени с Нобелова награда за приноса им в изучаването на такива реакции и създаването на тяхната теория.

Ако в реакцията се въведат такива количества реагенти, така че да има две молекули метан на молекула хлор, тогава основно ще получим метил хлорид CH 3 Cl. Ако вземем хлор в излишък, тогава реакцията на заместване ще продължи и в допълнение към метилхлорида ще получим и метиленхлорид CH 2 Cl 2, хлороформ CHCl 3 и накрая продуктът на пълното заместване на водорода с хлор , въглероден тетрахлорид CCl 4:

Но нека не забравяме нашата задача: да изграждаме различни сложни молекули от прости градивни елементи - молекули метан. За това се нуждаем от метилхлорид. Ако действате върху това съединение с метален натрий, тогава от всеки две молекули CH 3 Cl се образува една молекула етан, в която има въглерод-въглеродна връзка:

Какво е етан? Това е метан, в който един от водородите е заменен с метил ⋅CH 3 радикал. А самият този радикал, както вече знаем, се получава чрез отделяне на един водороден атом от метана.

Ако сега заменим един от водородите (всеки атом) с метил в етан, тогава ще получим ново вещество - пропан CH 3 -CH 2 -CH 3. Знаем как това може да се направи на практика: първо, в метан и етан, заменете един водород с хлор и след това действайте върху сместа от метилов и етилхлорид с натрий (тази реакция се нарича реакция на Вюрц в чест на френския химик, който откри го):

Да отидем по-нататък. Нека заменим един от водородните атоми в пропана с хлор. Оказва се, че сега няма значение кой атом да бъде заменен! Заменяйки водорода при най-крайния въглероден атом (има два такива атома) или при средния, получаваме две различни съединения: нормален пропил хлорид ( н-пропил хлорид) и изопропил хлорид:

Нека сега заменим хлорните атоми във всяко от тези съединения с метилови групи. Ще получим два различни бутана - нормален (т.е. неразклонен) бутан ( н-бутан) и ISO-бутан:

Нека прикрепим още една "тухла" към получените молекули. Да започнем с н-бутан. Тук един от най-външните водородни атоми може да бъде заменен с метил. Получаваме нормален пентан. Можете да замените един от средните водородни атоми. Да дойдем на ISO-пентан. Очевидно от н-Бутанът вече няма да получи нищо ново. Да се ​​обърнем към ISO- бутан. Ако заменим един от крайните водороди в него (в СН 3 групи), тогава ще стигнем до вече споменатото ISO-пентан и замествайки средния единичен водороден атом, получаваме неопентан:

Можете да продължите тази процедура за неопределено време. Всички тези връзки се наричат въглеводороди(по-точно - наситени въглеводороди или алкани), защото се състоят само от два елемента - въглерод и водород. Всеки алкан има 2 водородни атома. н+ 2, където не броят на въглеродните атоми. Следователно формулата на наситения въглеводород може да се напише в общ вид, както следва: C нз 2n+2 .

В изграждането на нашите структури ние, трябва да се каже, спряхме във времето. Факт е, че броят на възможните изомери нараства катастрофално бързо с увеличаване на броя на въглеродните атоми в молекулата на алкана. И така, за декан, въглеводород C 10 H 22, са възможни 75 различни изомери, броят на изомерите за въглеводород C 20 H 42 (ейкозан) е 366 319. Броят на възможните изомери за тетраконтан, въглеводород C 40 H 82, е равен трудно да си представим: 62 491 178 805 831.

Сега става ясно защо толкова голям брой органични съединения - няколко милиона - вече са известни днес и защо в това отношение органичната химия далеч е изпреварила неорганичната химия. Но досега бяха обсъдени само най-простите представители на органичните вещества - наситените въглеводороди.

Ние получихме редица изомерни въглеводороди от метан, използвайки реакцията на Wurtz. На практика обаче никой не прави това. Факт е, че най-простите въглеводороди, заедно с метана, се съдържат в природния газ, чийто състав е различен за различните находища. Например газът от находището Северен Ставропол съдържа 85% метан, около 5% етан, 2,5% пропан и 1,4% пентан и по-тежки въглеводороди. Газът от находището Gazlinskoye се състои от метан с 98%, етанът в него е само 1,6%. В нефта има много въглеводороди, но повече за това в следващите глави.

Нисши въглеводороди - метан, етан, пропан и бутан - безцветни газове, без мирис или с лек мирис на бензин. Въглеводородите от пентан до пентадекан C 15 H 32 са течности и накрая по-високите въглеводороди при нормална температура са твърди вещества.

С увеличаване на броя на въглеродните атоми, точките на кипене и топене на съединението се увеличават.

Наситените въглеводороди имат друго име - парафини, отразяващи тяхната химическа инертност (на латински parum affinis- нисък афинитет). И все пак те се използват доста широко в химическата промишленост за получаване на голямо разнообразие от вещества. Основните направления на промишленото използване на метан са показани на диаграмата.

Преди да приключим с разговора за метана и наситените въглеводороди, нека отговорим на един въпрос: каква е връзката в парафините между два въглеродни атома, например в етана? Тук всичко е просто - около всеки въглероден атом има, както в метана, четири хибридизирани sp 3 орбитали, три от които осъществяват връзки с водородни атоми, а една се припокрива с точно същата орбитала на друг въглероден атом. Дължината на C-C връзката е 0,154 nm.

В молекулата на амоняка електроните около азотния атом също са разположени в sp 3 хибридизирани орбитали. Подобна картина се наблюдава и при водната молекула.

NH3H2O

При sp 3 -хибридизация на орбитали, въглеродният атом може да даде само прости s-връзки. Когато въглеродът образува двойна връзка, се използва sp 2 хибридизация (фиг. 7). В този случай една 2s и две 2p орбитали участват в хибридизацията, а една 2p орбитала остава нехибридна. Орбиталите sp 2 са еквивалентни, техните оси са копланарни и образуват ъгъл от 120° една с друга; нехибридната 2p орбитала е перпендикулярна на равнината на хибридните орбитали.

Ориз. 7 си

две2 строрбитали, за да образуват три sp 2хибридни орбитали.

Когато въглеродът образува тройна връзка, се използва sp хибридизация. В този случай в хибридизацията участват една 2s и една p орбитала, а две 2p орбитали остават нехибридни (фиг. 8).

Ориз. осемИзобразяване на процедурата за математическа хибридизация на едно 2 си едно

ноа2 строрбитали, за да образуват две spхибридни орбитали.

ацетилен

Упражнение 13. Опишете връзките между атомите в молекулите на (а) етанова киселина, (б) етанал, етанамид по отношение на атомните орбитали и предскажете всички ъгли на връзката.

Отговор(а)

Дължина и енергия на връзката

Споделените електронни двойки държат два свързващи атома на определено разстояние, наречено дължина на връзката. Дължината на връзката между атомите е приблизително равна на сумата от техните ковалентни радиуси (r) (Таблица 2), което прави възможно изчисляването на дължините на всякакви връзки. l A - B = r A + r B

таблица 2

Ковалентни радиуси (r) на някои елементи, Å

Пр. 14. Визчислете дължините на връзките за (a) C-H, (b) C-C, (c) C=C и (d) CºC,

(e) C-O, (f) C=O, (g) C-Cl, ... Стойностите на ковалентните радиуси са дадени в табл. 1.2.

Отговор(a) 0,77 + 0,37 = 1,14 Å, (b) 2 x 0,77 = 1,54 Å, (c) 2 x 0,67 = 1,34 Å, (d) ...

Като цяло, когато броят на връзките между два атома се увеличава, тяхната дължина намалява. В някои молекули дължината на връзката въглерод-въглерод е междинна между дължината на единичните (1,54Å) и двойните (1,33Å) връзки. В този случай говорим за реда на общуване. Приблизителната стойност на реда на такава връзка може да бъде намерена графично.

Енергията е способността да се извършва работа. Движещият се обект има кинетична енергия. Ако обектите се привличат или отблъскват, тогава те имат потенциална енергия. Две топки, свързани с пружина, могат да имат потенциална енергия, ако пружината е разтегната или компресирана. Ако пружината е разтегната, тогава между топките има притегателна енергия, а ако е свита, тогава има отблъскваща енергия. Ако дадете пружина

отпуснете, тогава и в двата случая потенциалната енергия на топките ще се превърне в кинетична енергия.

Химическата енергия е една форма на потенциална енергия. Съществува, защото различните части на молекулите се привличат или отблъскват. Колкото повече потенциална енергия има един обект, толкова по-малко стабилен е той. . При реакции химическата енергия може да се освободи под формата на топлинна енергия.

Практически е невъзможно да се определи абсолютното съдържание на енергия в една молекула. И така става дума само за относителна потенциална енергиямолекули.Удобно е относителната потенциална енергия на молекулите да се представи под формата на относителна енталпия.Разликата в относителните енталпии на реагентите и продуктите по време на реакциите се означава с DH°. За екзотермичните реакции DH° има отрицателна стойност, а за ендотермичните реакции има положителна стойност. Когато водородната молекула се образува от атоми, се отделя топлина, а когато водородната молекула се разделя на атоми, трябва да се достави топлина:

H + H ¾® H¾H DH° = –104 kcal/mol (–435 kJ/mol)

H-H ¾® H + H DH° = +104 kcal/mol (+435 kJ/mol)

1 kcal = 4,184 kJ

Когато хлорна молекула се образува от енергийни атоми, се освобождава по-малко енергия, отколкото когато се образува водородна молекула:

Сl + Cl ¾® Сl¾Cl DH° = –58 kcal/mol

Cl-Cl ¾® Cl + Cl DH° = +58 kcal/mol

Таблица 3

Енергии на връзката, kcal/mol.

Ако сравним енергиите на единичните, двойните и тройните въглерод-въглеродни връзки, можем да видим, че енергията на двойната връзка е по-малка от два пъти, а тройната връзка е по-малко от три пъти енергията на единичната C-C връзка. Следователно трансформацията на множество връзки в прости, например по време на полимеризация, е придружена от освобождаване на енергия.

Енергия на връзката (Е), kcal/mol 88 146 200

При други елементи най-често се наблюдава обратната закономерност. Например, когато преминаваме от прости към двойни и тройни азот-азотни връзки, тяхната енергия се удвоява и утроява повече.

Енергия на връзката (Е), kcal/mol 38 100 226

По този начин, за въглерода, образуването на въглеродни вериги е полезно, а за азота, двуатомни молекули. Веригите азот-азот могат да се състоят от не повече от четири атома.

>> Химия: Валентни състояния на въглеродния атом

Вече знаете, че електронните орбитали се характеризират с различна енергийна стойност, различна геометрична форма и ориентация в пространството. По този начин 1s орбитала има по-ниска енергия. След това следва 2s орбитала, която има по-висока енергия. И двете орбитали са във формата на сфера. Естествено, 2s-орбиталата е по-голяма от 1s-орбиталата: по-високата енергия е следствие от по-голямото средно разстояние между електроните и ядрото. Три 2s орбитали с форма на дъмбел с еднаква енергия са насочени по координатните оси. Следователно оста на всяка 2p орбитала е перпендикулярна на осите на другите две 2p орбитали.

Въглеродните атоми, които изграждат органичните съединения, винаги ще бъдат четиривалентни, имат електронна конфигурация 1s 2 2s 2 2p 2 и могат да бъдат в три валентни състояния.

Нека разгледаме първото валентно състояние на въглеродния атом, като използваме примера на метановата CH4 молекула.

Когато се образува молекула метан CH4, въглеродният атом преминава от основното състояние във възбудено състояние и има четири несдвоени електрона: един и три p-електрона, които участват в образуването на четири a-връзки с четири водородни атома. В същото време трябва да се очаква, че три C-H връзки, образувани поради сдвояването на три p-електрона на въглеродни атоми с три „електрона на три водородни атома (s-p), трябва да се различават от четвъртата (s-s) връзка по сила, дължина , посока. Изчисляването на електронната плътност в кристалите на метана показва, че всички връзки в неговата молекула са еквивалентни и насочени към върха на тетраедъра. Това се обяснява с факта, че по време на образуването на молекула метан възникват ковалентни връзки поради взаимодействието не на "чистите", а на така наречения хибрид, т.е. осреднени по форма и размер (и следователно по енергия ), орбитали.

Хибридизацията на орбиталите е процес на тяхното подреждане по форма и енергия.

Броят на хибридните орбитали е равен на броя на оригиналните орбитали. В сравнение с тях хибридните орбитали са по-издължени в пространството, което осигурява по-пълното им припокриване с орбиталите на съседните атоми.

В молекула на метан и в други алкани, както и във всички органични молекули, на мястото на единична връзка въглеродните атоми ще бъдат в състояние на sp3 хибридизация, т.е. орбиталите на един s- и три p-електрона са претърпели хибридизация при въглеродния атом и четири същите хибридни орбитали.

В резултат на припокриването на четири хибридни sp 3 орбитали на въглероден атом и s орбитали на четири водородни атома се образува тетраедрична метанова молекула с четири идентични a-връзки под ъгъл от 109 ° 28 ". Ако един водороден атом е заместен с СН3 група в молекула метан, тогава ще се получи молекула етан СН3-СН3.

Въглероден атом, който има три водородни атома и един въглероден атом, се нарича първичен.

В молекулата на етана има единична (понякога наричана обикновена, обикновена) неполярна връзка въглерод-въглерод с дължина 0,154 nm.

В молекулата на пропан CH3-CH2-CH3 има два водородни атома и два въглеродни атома при централния въглероден атом. Такъв атом се нарича вторичен.

Ако въглероден атом е свързан с три въглеродни атома, тогава говорим за третичен атом:

CH3 - CH - CH3
CH3

Въглерод, съдържащ четири въглеродни атома, се нарича кватернер:

CH3
CH3 - C - CH3
CH3

Нека разгледаме второто валентно състояние на въглеродния атом, като използваме примера на молекулата на етилен C2H4. Както си спомняте, има двойна връзка между въглеродните атоми, което е отразено в структурната формула с две еднакви тирета:

Връзките, отразени от тези тирета, макар и ковалентни, са различни по начина, по който се припокриват - едната е а, другата е П.

В молекулата на етилена всеки въглероден атом е свързан не с четири, а с три други атома (с един въглероден атом и два водородни атома), следователно само три електронни орбитали влизат в хибридизация: една в и две p, т.е. sp 2 -хибридизация. Тези три орбитали са разположени в една и съща равнина под ъгъл от 120° една спрямо друга. Орбиталите на всеки въглероден атом се припокриват с s-орбиталите на два водородни атома и със същата sp2-rm6-rid орбитала на съседния въглероден атом и образуват три а-връзки под същия ъгъл от 120°. Следователно молекулата на етилена ще има равнинна структура. Двете p-орбитали на въглеродни атоми, които не участват в хибридизацията, ще се припокриват в две области, перпендикулярни на равнината на молекулата („странично припокриване“) и образуват П-Връзка.

Въпреки това, "страничното" припокриване на p-орбиталите се случва в по-малка степен, отколкото p-орбиталите по линията на връзката, и освен това се образува на по-голямо разстояние от ядрата на свързващите атоми. Следователно I-връзката ще бъде по-малко силна от П-Връзка. Въпреки това, под влияние П-връзки, въглеродните атоми са още по-близо един до друг: в молекулите на метан CH4 и етан C2H6 разстоянието между ядрата на атомите (дължина на връзката) е 0,154 nm, а в молекулите на етилен C2H4 е 0,134 nm.

Нека разгледаме третото валентно състояние на въглеродния атом, като използваме примера на ацетиленовата молекула C2H2, в която се реализира тройната връзка CH = CH: една a-връзка и две n-връзки. Ацетиленовата молекула има линейна структура, тъй като в нея всеки въглероден атом е свързан чрез a-връзки само с два други атома - въглероден атом и водороден атом, докато BP-хибридизацията се осъществява, в която участват само две орбитали - една s и една стр. Две хибридни орбитали са ориентирани една спрямо друга под ъгъл 180° и образуват две П-връзки с s-орбиталата на водородния атом и още една Пвръзки, разположени във взаимно перпендикулярни равнини.

Появата на трета връзка причинява по-нататъшно сближаване на въглеродните атоми - разстоянието между тях (дължината на C \u003d -C връзките) в молекулата на ацетилена е 0,120 nm.

1. Какви видове хибридизация на електронните орбитали на въглеродния атом познавате?

2. Редът на свързване на атомите в молекулите отразява структурните формули. Определете типа хибридизация на всеки въглероден атом в молекулата на 1,2-бутадиен, ако неговата структурна формула е

3. Колко орбитали от второто енергийно ниво на въглеродния атом не участват в n-хибридизацията; в pr2 хибридизация; в yar3 хибридизация?

4. Какви са ъглите между осите на въглеродния атом за:

а) sp 2 хибридни орбитали;

б) sp-хибридни орбитали;

в) sp-хибридни и нехибридни p-орбитали;

г) нехибридни p-орбитали;

д) sp 3 хибридни орбитали?

Съдържание на урока резюме на урокаопорна рамка презентация на уроци ускорителни методи интерактивни технологии Практикувайте задачи и упражнения самопроверка работилници, обучения, казуси, куестове домашни дискусионни въпроси риторични въпроси от студенти Илюстрации аудио, видео клипове и мултимедияснимки, картинки графики, таблици, схеми хумор, анекдоти, вицове, комикси притчи, поговорки, кръстословици, цитати Добавки резюметастатии чипове за любознателни измамни листове учебници основни и допълнителни речник на термините други Подобряване на учебниците и уроцитекоригиране на грешки в учебникаактуализиране на фрагмент в учебника елементи на иновация в урока замяна на остарели знания с нови Само за учители перфектни уроцикалендарен план за годината методически препоръки на дискусионната програма Интегрирани уроци

Продължение. За начало вижте № 15, 16/2004

Урок 5
атомни орбитали на въглерода

Ковалентна химическа връзка се образува с помощта на общи свързващи електронни двойки от типа:

Образуват химическа връзка, т.е. само несдвоени електрони могат да създадат обща електронна двойка с „чужд“ електрон от друг атом. При писане на електронни формули несдвоените електрони се намират един по един в орбиталната клетка.
атомна орбиталае функция, която описва плътността на електронния облак във всяка точка от пространството около ядрото на атома. Електронният облак е област от пространството, в която с голяма вероятност може да се намери електрон.
За хармонизиране на електронната структура на въглеродния атом и валентността на този елемент се използват понятията за възбуждане на въглеродния атом. В нормално (невъзбудено) състояние въглеродният атом има две несдвоени 2 Р 2 електрона. Във възбудено състояние (когато енергията се абсорбира) едно от 2 с 2-електрона могат да преминат към свободни Р- орбитален. Тогава във въглеродния атом се появяват четири несдвоени електрона:

Спомнете си, че в електронната формула на атом (например за въглерод 6 C - 1 с 2 2с 2 2стр 2) големи цифри пред буквите - 1, 2 - показват номера на енергийното ниво. Писма си Рпоказват формата на електронния облак (орбитали), а числата вдясно над буквите показват броя на електроните в дадена орбитала. всичко с- сферични орбитали:

На второ енергийно ниво с изключение на 2 с-има три орбитали 2 Р-орбитали. Тези 2 Р-орбиталите имат елипсоидална форма, подобна на дъмбели, и са ориентирани в пространството под ъгъл 90 ° една спрямо друга. 2 Р-Орбиталите означават 2 p x, 2r yи 2 pzспоред осите, по които са разположени тези орбитали.

Когато се образуват химични връзки, електронните орбитали придобиват същата форма. И така, в наситените въглеводороди, едно с-орбитален и три Р-орбитали на въглероден атом, за да образуват четири еднакви (хибридни) sp 3-орбитали:

То - sp 3 - хибридизация.
Хибридизация– подравняване (смесване) на атомни орбитали ( си Р) с образуването на нови атомни орбитали, т.нар хибридни орбитали.

Хибридните орбитали имат асиметрична форма, издължена към прикрепения атом. Електронните облаци се отблъскват взаимно и са разположени в пространството възможно най-далеч един от друг. В същото време, осите на четири sp 3-хибридни орбиталисе оказват насочени към върховете на тетраедъра (правилна триъгълна пирамида).
Съответно ъглите между тези орбитали са тетраедрични, равни на 109°28".
Върховете на електронните орбитали могат да се припокриват с орбиталите на други атоми. Ако електронните облаци се припокриват по линия, свързваща центровете на атомите, тогава такава ковалентна връзка се нарича сигма()-връзка. Например, в молекула C 2 H 6 етан се образува химическа връзка между два въглеродни атома чрез припокриване на две хибридни орбитали. Това е връзка. В допълнение, всеки от въглеродните атоми със своите три sp 3-орбитали се припокриват с с-орбитали на три водородни атома, образуващи три -връзки.

Общо за въглероден атом са възможни три валентни състояния с различни видове хибридизация. С изключение spСъществува 3-хибридизация sp 2 - и sp-хибридизация.
sp 2 -Хибридизация- смесване на един с- и две Р-орбитали. В резултат на това три хибридни sp 2 -орбитали. Тези sp 2 -орбитали са разположени в една и съща равнина (с оси х, при) и са насочени към върховете на триъгълника с ъгъл между орбиталите 120°. нехибридизиран
Р-орбитала е перпендикулярна на равнината на трите хибрида sp 2 орбитали (ориентирани по оста z). Горна половина Р-орбиталите са над равнината, долната половина е под равнината.
Тип sp 2-хибридизацията на въглерода се среща в съединения с двойна връзка: C=C, C=O, C=N. Освен това само една от връзките между два атома (например C=C) може да бъде връзка. (Другите свързващи орбитали на атома са насочени в противоположни посоки.) Втората връзка се образува в резултат на припокриването на нехибридни Р-орбитали от двете страни на линията, свързваща ядрата на атомите.

Ковалентна връзка, образувана от странично припокриване Р-орбитали на съседни въглеродни атоми се нарича pi()-връзка.

образование - комуникации

Поради по-малкото припокриване на орбиталите, -връзката е по-малко силна от -връзката.
sp-Хибридизацияе смесване (подравняване във форма и енергия) на едно с-и едно
Р-орбитали с образуването на две хибридни sp-орбитали. sp- Орбиталите са разположени на една и съща линия (под ъгъл от 180 °) и са насочени в противоположни посоки от ядрото на въглеродния атом. две
Р-орбиталите остават нехибридизирани. Те са разположени перпендикулярно една на друга.
направления - връзки. На изображението sp-орбиталите са показани по оста г, и нехибридизираните две
Р-орбитали – по осите хи z.

Тройната връзка въглерод-въглерод CC се състои от -връзка, която възниква при припокриване
sp-хибридни орбитали, и две -връзки.
Връзката между такива параметри на въглеродния атом като броя на свързаните групи, вида на хибридизацията и видовете образувани химични връзки е показана в таблица 4.

Таблица 4

Ковалентни връзки на въглерод

Брой групи свързани с карбон	Тип хибридизация	Видове участващи химически връзки	Примери за съставни формули
4	sp 3	Четири - връзки
3	sp 2	Три - връзки и едното е връзката
2	sp	Две - връзки и две връзки	H-CC-H

Упражнения.

1. Какви електрони на атоми (например въглерод или азот) се наричат ​​несдвоени?

2. Какво означава понятието "споделени електронни двойки" в съединения с ковалентна връзка (например CH 4 или H 2 S )?

3. Какви са електронните състояния на атомите (например C илин ) се наричат ​​основни, а кои са възбудени?

4. Какво означават цифрите и буквите в електронната формула на атом (например C илин )?

5. Какво е атомна орбитала? Колко орбитали има във второто енергийно ниво на С атом и как се различават?

6. Каква е разликата между хибридните орбитали и оригиналните орбитали, от които са се образували?

7. Какви видове хибридизация са известни за въглеродния атом и какви са те?

8. Начертайте картина на пространственото разположение на орбиталите за едно от електронните състояния на въглеродния атом.

9. Как се наричат ​​химичните връзки и какво? Посочете-и-връзки във връзките:

10. За въглеродните атоми на съединенията по-долу посочете: а) вида на хибридизацията; б) видовете му химични връзки; в) ъгли на свързване.

Отговори на упражнения към тема 1

Урок 5

1. Електроните, които са по един на орбитала, се наричат несдвоени електрони. Например във формулата за електронна дифракция на възбуден въглероден атом има четири несдвоени електрона, а азотният атом има три:

2. Наричат ​​се два електрона, участващи в образуването на една химична връзка обща електронна двойка. Обикновено, преди образуването на химическа връзка, един от електроните на тази двойка принадлежи на един атом, а другият електрон принадлежи на друг атом:

3. Електронното състояние на атома, при което се спазва реда на запълване на електронните орбитали: 1 с 2 , 2с 2 , 2стр 2 , 3с 2 , 3стр 2 , 4с 2 , 3д 2 , 4стр 2 и т.н основно състояние. AT възбудено състояниеедин от валентните електрони на атома заема свободна орбитала с по-висока енергия, такъв преход е придружен от разделяне на сдвоени електрони. Схематично се изписва така:

Докато в основното състояние имаше само два валентни несдвоени електрона, във възбудено състояние има четири такива електрона.

5. Атомна орбитала е функция, която описва плътността на електронен облак във всяка точка в пространството около ядрото на даден атом. На второто енергийно ниво на въглеродния атом има четири орбитали - 2 с, 2p x, 2r y, 2pz. Тези орбитали са:
а) формата на електронния облак ( с- топка, Р- дъмбел);
б) Р-орбиталите имат различна ориентация в пространството – по взаимно перпендикулярни оси х, ги z, те са означени p x, r y, pz.

6. Хибридните орбитали се различават от оригиналните (нехибридни) орбитали по форма и енергия. Например, с-орбитална - формата на сфера, Р- симетрична осмица, sp-хибридна орбитала - асиметрична осмица.
Енергийни разлики: д(с) < д(sp) < д(Р). По този начин, sp-орбитала - осреднена по форма и енергия орбитала, получена при смесване на инициал с- и стр-орбитали.

7. Известни са три вида хибридизация на въглеродния атом: sp 3 , sp 2 и sp (вижте текста на урок 5).

9. -връзка - ковалентна връзка, образувана от фронтално припокриване на орбитали по линия, свързваща центровете на атомите.
-връзка - ковалентна връзка, образувана от странично припокриване Р-орбитали от двете страни на линията, свързваща центровете на атомите.
- Връзките са показани от втората и третата линия между свързаните атоми.

В случай на хомонуклеарни молекули, ние извършихме комбинацията $AO$, използвайки правилото, според което орбиталите с еднаква енергия взаимодействат най-силно. В хетероядрените молекули от типа $AB$ енергийните нива на $A$ и $B$ атомите не са еднакви, така че е трудно да се каже недвусмислено кои орбитали ще бъдат комбинирани. За случая $LiH$ това е показано на фиг. един.

Фигура 1. Енергийни нива на $AO$, $Li$ и $H$

Представени са многоатомни химически частици (молекули, радикали, йони) с обща молекулна формула $B_n$, съдържащи един централен атом $A$, два или повече крайни $B$ атома и в резултат на това са представени само $A-B \sigma $ връзки.

Геометричната форма на частиците $AB_n$ е получена от метода на валентните връзки, т.е. от стереохимичното разположение на осите на валентните хибридни орбитали на централния атом $A$, а оттам и $\sigma $-връзките $ A-B $.

Хибридните орбитали помагат да се разбере пространствената структура на молекулите, например защо водната молекула има ъглова конфигурация, амонякът има пирамидална, а метанът има тетраедрична конфигурация.

Разглеждане на връзката между хибридизацията и формата на молекулите

Берилиевият хидрид, $BeH_2$, има линейна структура. За да се конструират неговите локализирани свързващи молекулярни орбитали, първо се формират две еквивалентни валентни орбитали на $Be$ атома, насочени към два водородни атома, съответно $H_a$ и $H_b$. Това се прави чрез хибридизация или смесване (съставяне на линейна комбинация) $2s-$ и $2p$-орбитали на $Be$, което води до две еквивалентни "$sp$-хибридни" орбитали. Една от тези хибридни орбитали, $sp_a$, е насочена към атома $H_a$ и силно се припокрива с орбиталата $1s_a$. Друга хибридна орбитала, $sp_b$, е насочена към атома $H_b$ и силно се припокрива с орбиталата $1s_b$. С тази линия на разсъждение, две $BeH_2$ свързващи молекулярни орбитали се получават чрез конструиране на две еквивалентни линейни комбинации, всяка от които е локализирана между два атома:

Тези локализирани молекулярни орбитали са показани на фиг. 2. Върху тях са разположени четири валентни електрона, образуващи две локализирани свързващи електронни двойки, в съответствие със структурата на връзката на Люис за $BeH_2$. Всяка от линейните $sp$-хибридни орбитали е наполовина $p$-характер и наполовина $s$-характер, а две $sp$-орбитали позволяват на централния $Be$ атом в $BeH_2$ да прикрепи два водородни атома към себе си .

Нека сега разгледаме молекулата $BH_3$ (която се наблюдава в масспектрометрични експерименти и е фрагмент от молекулата $B_2H_6$). В тази молекула три водородни атома са прикрепени към централния борен атом. Според теорията за локализираните молекулни орбитали, връзката в тази молекула възниква в резултат на хибридизация на $2s$ орбитала и две $2p$ орбитали на борния атом, за да се образуват три еквивалентни $sp^2$ хибридни орбитали. Всяка хибридна орбитала има една трета $s$ и две трети $p$. Тъй като всеки две $p$-орбитали лежат в една и съща равнина, а $s$-орбиталата няма пространствена ориентация, три $sp^2$-хибридни орбитали лежат в една и съща равнина. Тези три $sp^2$ хибридни орбитали се припокриват с трите водородни $1s$ орбитали, за да образуват три еквивалентни локализирани свързващи орбитали. Всяка от тези свързващи $(sp^2+1s)$-орбитали е заета в молекулата $BH_3$ от двойка електрони, както е показано схематично на фиг. 4. Въз основа на концепцията за хибридни орбитали може да се предвиди, че молекулата $BH_3$ трябва да има планарна тригонална структура. Ъгълът между междуядрените оси $H-B-H$, наречен ъгъл на свързване $H-B-H$, трябва да бъде $120^\circ$.

Фигура 2. Свързващи двойки електрони върху локализирани връзки на молекулата $BeH_2$, образувани с участието на еквивалентни хибридни $sp$-орбитали на атома $Be$. Всяка $sp$-орбитала $Be$ образува локализирана свързваща молекулярна орбитала с $1s$-орбитала на водородния атом

Фигура 3. Взаимно припокриване на орбитали. Хибридни орбитали: а - припокриващи се $s$-орбитали; b - припокриване на $s-$ орбитали; c - припокриване на $p-$ орбитали; d - $p$-хибридна орбитала; e - $sp^2$-хибридни орбитали; e - $sp^3$-хибридни орбитали

Фигура 4. Електронни двойки, социализирани върху локализирани връзки в $BH_3$

Метанът, $CH_4$, има четири еквивалентни водородни атома, свързани с централния въглероден атом. За да се комбинира с четири водородни атома, въглеродът трябва да използва всички свои валентни орбитали. Чрез хибридизиране на една $2s-$ и три $2p$ орбитали могат да се получат четири еквивалентни $sp^3$ хибридни орбитали. Всяка $sp^3$ хибридна орбитала има една четвърт символ $s$ и три четвърти знак $p$. И четирите $sp^3$-орбитали са насочени към върховете на правилен тетраедър, поради което $sp^3$-орбиталите понякога се наричат ​​тетраедрични хибриди. В резултат на припокриването на всяка $sp^3$-хибридна орбитала с $1s-$ орбитала на водородния атом се образуват четири локализирани свързващи орбитали. Най-доброто припокриване между $sp^3$ и $1s$ орбиталите се получава чрез поставяне на четири водородни атома във върховете на правилен тетраедър, както е показано на фиг. 5 (който показва куб, чиито редуващи се върхове образуват върховете на споменатия тетраедър). Молекулата на метана има осем валентни електрона (четири от въглеродния атом и по един от всеки от четирите водородни атома), които трябва да бъдат поставени в четири локализирани свързващи орбитали. Тези осем електрона образуват четири еквивалентни локализирани свързващи електронни двойки, показани схематично на фиг. 5.

Структурата на молекулата $CH_4$ е определена чрез различни експериментални методи. Всички получени данни водят до заключението за тетраедричната структура на молекулата $CH_4$ (фиг. 6), в пълно съответствие с прогнозите на теорията за локализираните молекулни орбитали. Ъгълът на връзката $H-C-H$ е $109,5^\circ$, а дължината на връзката $C-H$ е $1,093 A$.

Фигура 5. Електронни двойки, социализирани върху локализирани връзки в $CH_4$

Фигура 6. Тетраедрична молекулярна структура на $CH_4$