Najprostszym związkiem organicznym jest metan. Jego cząsteczka składa się z pięciu atomów - jednego atomu węgla i czterech atomów wodoru, równomiernie rozmieszczonych w przestrzeni wokół tego centralnego atomu węgla. Tutaj mamy do czynienia przede wszystkim z najważniejszym postulatem chemii organicznej - we wszystkich nienaładowanych cząsteczkach organicznych węgiel jest zawsze czterowartościowy. Graficznie wyraża się to w tym, że musi być połączony z symbolami chemicznymi innych pierwiastków lub tym samym węglem czterema myślnikami. W metanie wszystkie cztery atomy wodoru znajdują się w tej samej odległości od atomu węgla i są od siebie jak najdalej w przestrzeni kosmicznej.

W cząsteczce metanu atom węgla znajduje się w środku regularnego czworościanu, a cztery atomy wodoru znajdują się w jego wierzchołkach.

Tak wygląda cząsteczka metanu, biorąc pod uwagę wielkość atomów.

Aby zbudować model cząsteczki, weźmy czworościan, czyli regularny czworościan złożony z trójkątów równobocznych, i umieśćmy w jego środku atom węgla. Atomy wodoru będą znajdować się na wierzchołkach czworościanu. Połącz wszystkie wodory z centralnym atomem węgla. Kąt α między dwiema takimi liniami będzie wynosił 109 stopni i 28 minut.

Zbudowaliśmy więc model metanu. Ale jakie są wymiary cząsteczek w rzeczywistości? W ostatnich dziesięcioleciach za pomocą fizycznych metod badawczych (o których poniżej) udało się dokładnie określić odległości międzyatomowe w cząsteczkach związków organicznych. W cząsteczce metanu odległość między środkami atomu węgla i dowolnego atomu wodoru wynosi 0,109 nm (1 nanometr, nm, równa się 10 -9 m). Aby zobrazować, jak cząsteczka wygląda w przestrzeni, używają modeli Stuarta-Briegleba, w których atomy są przedstawiane jako kule o określonym promieniu.

Zadajmy sobie teraz pytanie: jakie siły wiążą atomy w cząsteczce związku organicznego, dlaczego atomy wodoru nie odchodzą od centrum węgla?

Atom węgla składa się z dodatnio naładowanego jądra (jego ładunek wynosi +6) i sześciu elektronów zajmujących różne orbitale * wokół jądra, z których każdy odpowiada określonemu poziomowi energii.

* (Orbital można uznać za obszar przestrzeni, w którym prawdopodobieństwo napotkania elektronu jest największe.)

Dwa elektrony zajmują najniższy orbital najbliżej jądra. Najsilniej oddziałują one z „swoim” rdzeniem i nie biorą udziału w tworzeniu wiązań chemicznych. Kolejną rzeczą są pozostałe cztery elektrony. Uważa się, że w tak zwanym niewzbudzonym atomie węgla, czyli w osobnym atomie, który nie tworzy żadnych wiązań z innymi atomami, te elektrony układają się następująco: dwa na niższym poziomie s i dwa na wyższym podpoziomie R. W pewnym uproszczeniu i schematycznie możemy założyć, że chmura tworząca elektron znajdujący się na s-sublevel, ma kształt kuli. Chmury R-elektrony wyglądają jak ósemki objętości, a te ósemki można rozmieścić w przestrzeni wzdłuż osi x, y oraz z. W związku z tym każdy atom ma trzy R-orbitale: p x , r y oraz pz. Tak więc każdy orbital w atomie ma określony kształt i jest umieszczony w przestrzeni w specjalny sposób.

Aby wchodzić w interakcje z innymi atomami, tworzyć z nimi wiązania chemiczne, atom węgla musi przede wszystkim wejść w specjalny, stan podniecenia. W tym przypadku jeden elektron skacze z s- orbitale włączone p-orbitalny. W rezultacie jeden elektron zajmuje kulę s-orbital, a pozostałe trzy elektrony tworzą trzy orbitale ósemkowe. Jednak pozycja ta jest niekorzystna energetycznie dla atomu. Niższa energia atomu odpowiada czterem identycznym orbitalom, symetrycznie rozmieszczonym w przestrzeni. Dlatego mieszanie, uśrednianie lub, jak mówią, hybrydyzacja do dyspozycji orbitale, w wyniku czego powstały cztery nowe identyczne orbitale.

Te hybrydowe orbitale również wyglądają jak ósemki, ale ósemki są jednostronne: gęstość elektronów jest prawie całkowicie przesunięta w jedną stronę. Takie zhybrydyzowane orbitale są oznaczone sp 3(według liczby elektronów z różnych orbitali niehybrydowych biorących udział w ich tworzeniu: jeden z s-orbitale i trzy - z R-orbitale).

Jak układa się cząsteczka metanu? Do każdego z czterech orbitali hybrydowych skierowanych od atomu węgla w różnych kierunkach (a raczej do rogów wyimaginowanego czworościanu, który można wokół niego zbudować), pasują atomy wodoru H. Atom wodoru to jądro o ładunku + 1 (dla lekkiego izotopu zwykłego wodoru - tylko proton) i jeden elektron zajmujący orbitę sferyczną wokół protonu. Chmury elektronów „węglowych” i „wodorowych” nakładają się na siebie, a to oznacza tworzenie wiązania chemicznego. Im bardziej chmury elektronowe różnych atomów nakładają się na siebie, tym silniejsze jest wiązanie. Teraz staje się jasne, dlaczego orbitale hybrydyzowane są bardziej opłacalne – w końcu taka jednostronna, wystająca ósemka może znacznie silniej pokrywać się z chmurą elektronu wodoru niż mniej rozciągnięte orbitale niehybrydowe w kosmosie. Zauważ, że te argumenty są nieco arbitralne: czysty, że tak powiem, pojedynczy i niewzbudzony atom węgla tak naprawdę nie istnieje. Dlatego nie ma sensu dyskutować, jak faktycznie zachodzą wszystkie te transformacje orbitali, zwane hybrydyzacją. Jednak dla wygody opisywania wiązań chemicznych za pomocą wzorów i liczb, takie konwencje okazują się przydatne. Zobaczymy to ponownie i ponownie.

Jak zdobyć metan?

Jednym z najprostszych sposobów jest działanie na węglik glinu wodą:

Węglik glinu jest jednak zbyt drogim materiałem wyjściowym, aby uzyskać tak powszechny, tak tani produkt jak metan, i nie ma potrzeby pozyskiwania go z innych związków – w końcu gaz ziemny składa się w 85-98% z metanu.

Metan jest jednym z głównych elementów budulcowych, z których można budować związki organiczne. Czym są te związki i jak je pozyskać z metanu?

W rzeczywistości metan jest substancją stosunkowo obojętną, a zestaw reakcji chemicznych, które można za jego pomocą przeprowadzić, jest niewielki.

Weźmy mieszaninę dwóch gazów - metanu i chloru i włóżmy do szklanego naczynia. Jeśli to naczynie jest trzymane w ciemności, nie obserwuje się reakcji. Ale spróbujmy oświetlić butelkę światłem słonecznym ...

Kwant światła oddziałuje z cząsteczką chloru, w wyniku czego cząsteczka dzieli się na dwie części - dwa atomy chloru:

Powstałe atomy są znacznie bardziej aktywne niż molekuły, natychmiast atakują molekuły metanu i wychwytują atomy wodoru. W tym przypadku powstają cząsteczki chlorowodoru HCl i bardzo niestabilnych, bardzo aktywnych cząstek, tzw. rodników metylowych ⋅CH 3 :

Rezultatem jest znany nam już atom chloru (jego dalszy los nie jest trudny do przewidzenia: atakuje nowe cząsteczki metanu i wszystko się powtarza) a chlorometan, czyli chlorek metylu, jest pochodną metanu, w której jeden z atomów wodoru jest zastąpiony przez chlor.

Reakcja, którą opisaliśmy należy do kategorii tzw reakcje łańcuchowe, w którym każdy etap, jak w łańcuchu, jest połączony z poprzednim i kolejnym. Cząstki aktywne - produkt jednego etapu (tutaj są to atomy chloru i rodniki metylowe ⋅CH3) - są wykorzystywane w kolejnym etapie jako materiały wyjściowe. Odkrycie reakcji łańcuchowych było jednym z najważniejszych wydarzeń w historii nauk chemicznych, a akademik N. N. Semenov i angielski naukowiec S. N. Hiishelwood otrzymali Nagrodę Nobla za wkład w badanie takich reakcji i tworzenie ich teorii.

Jeżeli do reakcji wprowadzi się takie ilości odczynników, że na jedną cząsteczkę chloru przypada dwie cząsteczki metanu, to w zasadzie otrzymamy chlorek metylu CH 3 Cl. Jeśli weźmiemy chlor w nadmiarze, reakcja podstawienia pójdzie dalej i oprócz chlorku metylu otrzymamy również chlorek metylenu CH 2 Cl 2, chloroform CHCl 3 i na koniec produkt całkowitego zastąpienia wodoru przez chlor , czterochlorek węgla CCl 4:

Nie zapominajmy jednak o naszym zadaniu: budować różne złożone molekuły z prostych cegiełek – molekuł metanu. Do tego potrzebujemy chlorku metylu. Jeśli działasz na ten związek metalicznym sodem, to z każdych dwóch cząsteczek CH 3 Cl powstaje jedna cząsteczka etanu, w której występuje wiązanie węgiel-węgiel:

Co to jest etan? Jest to metan, w którym jeden z wodorów jest zastąpiony przez rodnik metylowy ⋅CH3. A sam ten rodnik, jak już wiemy, powstaje przez oderwanie jednego atomu wodoru od metanu.

Jeśli teraz zastąpimy jeden z wodorów (dowolny atom) metylem w etanie, to otrzymamy nową substancję - propan CH 3-CH 2-CH 3. Wiemy, jak można to zrobić w praktyce: najpierw w metanie i etanie zamień jeden wodór na chlor, a następnie działaj na mieszaninę chlorku metylu i etylu z sodem (ta reakcja nazywana jest reakcją Wurtza na cześć francuskiego chemika, który odkrył to):

Chodźmy dalej. Zamieńmy jeden z atomów wodoru w propanie na chlor. Okazuje się, że teraz nie ma znaczenia, który atom zastąpić! Zastępując wodór na skrajnym atomie węgla (są dwa takie atomy) lub na środkowym, otrzymujemy dwa różne związki: normalny chlorek propylu ( n-chlorek propylu) i chlorek izopropylu:

Zastąpmy teraz atomy chloru w każdym z tych związków grupami metylowymi. Otrzymamy dwa różne butany - normalny (czyli nierozgałęziony) butan ( n-butan) i iso-butan:

Do otrzymanych cząsteczek dołączmy jeszcze jedną „cegłę”. Zacznijmy n-butan. Tutaj jeden z najbardziej zewnętrznych atomów wodoru można zastąpić metylem. Otrzymujemy normalny pentan. Możesz wymienić jeden ze środkowych wodorów. Chodźmy do iso-pentan. Podobno od n-Butan nie dostanie już nic nowego. Zwróćmy się do iso- butan. Jeśli zastąpimy w nim jeden z ekstremalnych wodorów (w grupach CH 3 ), to dojdziemy do wspomnianego już iso-pentan, a zastępując przeciętny pojedynczy atom wodoru, otrzymujemy neopentan:

Możesz kontynuować tę procedurę w nieskończoność. Wszystkie te połączenia nazywają się węglowodory(dokładniej - węglowodory nasycone lub alkany), ponieważ składają się tylko z dwóch pierwiastków - węgla i wodoru. Każdy alkan ma 2 atomy wodoru. n+ 2, gdzie n to liczba atomów węgla. Dlatego wzór węglowodoru nasyconego można zapisać w postaci ogólnej w następujący sposób: C n H 2n+2 .

Trzeba powiedzieć, że w budowie naszych konstrukcji zatrzymaliśmy się na czas. Faktem jest, że liczba możliwych izomerów rośnie katastrofalnie szybko wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w cząsteczce alkanu. Tak więc w przypadku dekanu możliwe są różne izomery węglowodoru C 10 H 22, 75, liczba izomerów węglowodoru C 20 H 42 (eikozan) wynosi 366 319. Liczba możliwych izomerów tetrakontanu, węglowodoru C 40 H 82, jest parzysta trudne do wyobrażenia: 62 491 178 805 831.

Teraz staje się jasne, dlaczego tak ogromna liczba związków organicznych – kilka milionów – jest już dziś znana i dlaczego pod tym względem chemia organiczna daleko prześcignęła chemię nieorganiczną. Ale do tej pory omówiono tylko najprostszych przedstawicieli substancji organicznych - węglowodory nasycone.

Wyprowadziliśmy szereg węglowodorów izomerycznych z metanu za pomocą reakcji Wurtza. Jednak w praktyce nikt tego nie robi. Faktem jest, że najprostsze węglowodory wraz z metanem zawarte są w gazie ziemnym, którego skład jest różny dla różnych pól. Na przykład gaz ze złoża Stawropol Północny zawiera 85% metanu, około 5% etanu, 2,5% propanu i 1,4% pentanu oraz cięższe węglowodory. Gaz ze złoża Gazlinskoye składa się w 98% z metanu, a etan w nim to tylko 1,6%. W ropie naftowej jest wiele węglowodorów, ale o tym w następnych rozdziałach.

Niższe węglowodory - metan, etan, propan i butan - gazy bezbarwne, bezwonne lub o lekkim zapachu benzyny. Węglowodory od pentanu do pentadekanu C 15 H 32 są cieczami, a wyższe węglowodory w zwykłej temperaturze są ciałami stałymi.

Wraz ze wzrostem liczby atomów węgla wzrastają temperatury wrzenia i topnienia związku.

Węglowodory nasycone mają inną nazwę - parafiny, odzwierciedlając ich obojętność chemiczną (po łacinie parum affinis- niskie powinowactwo). A jednak są dość szeroko stosowane w przemyśle chemicznym do pozyskiwania szerokiej gamy substancji. Na schemacie przedstawiono główne kierunki przemysłowego wykorzystania metanu.

Zanim skończymy mówić o metanie i węglowodorach nasyconych, odpowiedzmy na jedno pytanie: jak wygląda wiązanie w parafinach między dwoma atomami węgla, na przykład w etanie? Tutaj wszystko jest proste – wokół każdego atomu węgla są, podobnie jak w metanie, cztery zhybrydyzowane sp 3 orbitale, z których trzy prowadzą wiązania z atomami wodoru, a jeden pokrywa się dokładnie z tym samym orbitalem innego atomu węgla. Długość wiązania C-C wynosi 0,154 nm.

W cząsteczce amoniaku elektrony wokół atomu azotu również znajdują się na orbitalach zhybrydyzowanych sp3. Podobny obraz obserwujemy w przypadku cząsteczki wody.

NH3H2O

Przy hybrydyzacji sp 3 orbitali atom węgla może dawać tylko proste wiązania s. Gdy węgiel tworzy wiązanie podwójne, stosuje się hybrydyzację sp 2 (ryc. 7). W tym przypadku jeden orbital 2s i dwa 2p biorą udział w hybrydyzacji, a jeden orbital 2p pozostaje niehybrydowy. Orbitale sp 2 są równoważne, ich osie są współpłaszczyznowe i tworzą ze sobą kąt 120°; orbital niehybrydowy 2p jest prostopadły do ​​płaszczyzny orbitali hybrydowych.

Ryż. 7 s oraz

dwa2 p orbitale tworzące trzy sp 2 orbitale hybrydowe.

Gdy węgiel tworzy wiązanie potrójne, stosuje się hybrydyzację sp. W tym przypadku jeden orbital 2s i jeden p biorą udział w hybrydyzacji, a dwa orbitale 2p pozostają niehybrydowe (ryc. 8).

Ryż. osiem Przedstawienie procedury hybrydyzacji matematycznej jednego 2 s i jeden

noah2 p orbitale tworzące dwa sp orbitale hybrydowe.

acetylen

Ćwiczenie 13. Opisz wiązania między atomami w cząsteczkach (a) kwasu etanowego, (b) etanalu, etanamidu w kategoriach orbitali atomowych i przewiduj wszystkie kąty wiązania.

Odpowiadać(a)

Długość i energia wiązania

Współdzielone pary elektronów zawierają dwa atomy wiążące w pewnej odległości zwanej Długość wiązań. Długość wiązania między atomami jest w przybliżeniu równa sumie ich promieni kowalencyjnych (r) (tabela 2), co umożliwia obliczenie długości dowolnych wiązań. l A - B = r A + r B

Tabela 2

Promienie kowalencyjne (r) niektórych pierwiastków, Å

Były. 14. W obliczyć długości wiązań dla (a) C-H, (b) C-C, (c) C=C i (d) CºC,

(e) C-O, (f) C=O, (g) C-Cl, ... Wartości promieni kowalencyjnych podano w tabeli. 1.2.

Odpowiadać(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) ...

Na ogół wraz ze wzrostem liczby wiązań między dwoma atomami zmniejsza się ich długość. W niektórych cząsteczkach długość wiązania węgiel-węgiel jest pośrednia między długością wiązań pojedynczych (1,54 Å) i podwójnych (1,33 Å). W tym przypadku mówimy o kolejności komunikacji. Przybliżoną wartość rzędu takiej zależności można znaleźć graficznie.

Energia to zdolność do wykonywania pracy. Poruszający się obiekt ma energię kinetyczną. Jeśli przedmioty przyciągają się lub odpychają, to mają energię potencjalną. Dwie kulki połączone sprężyną mogą mieć energię potencjalną, jeśli sprężyna jest rozciągana lub ściskana. Jeśli sprężyna jest rozciągnięta, między kulkami jest przyciągająca energia, a jeśli jest ściśnięta, powstaje energia odpychająca. Jeśli dasz wiosnę

rozluźnij się, wtedy w obu przypadkach energia potencjalna kulek zamieni się w energię kinetyczną.

Energia chemiczna jest jedną z form energii potencjalnej. Istnieje, ponieważ różne części cząsteczek przyciągają się lub odpychają. Im więcej energii potencjalnej ma obiekt, tym mniej jest stabilny. . W reakcjach energia chemiczna może być uwalniana w postaci energii cieplnej.

Praktycznie niemożliwe jest określenie bezwzględnej zawartości energii w cząsteczce. A więc chodzi tylko o względna energia potencjalna cząsteczki Dogodnie jest przedstawić względną energię potencjalną cząsteczek w postaci względnej entalpii.Różnicę względnych entalpii substratów i produktów podczas reakcji oznaczono przez DH°. Dla reakcji egzotermicznych DH° ma wartość ujemną, a dla reakcji endotermicznych ma wartość dodatnią. Kiedy cząsteczka wodoru powstaje z atomów, uwalniane jest ciepło, a gdy cząsteczka wodoru dzieli się na atomy, ciepło musi zostać dostarczone:

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

Gdy cząsteczka chloru powstaje z atomów energii, uwalniana jest mniejsza energia niż w przypadku tworzenia się cząsteczki wodoru:

Сl + Cl ¾® Сl¾Cl DH° = –58 kcal/mol

Cl-Cl ¾® Cl + Cl DH° = +58 kcal/mol

Tabela 3

Energie wiązania, kcal/mol.

Jeśli porównamy energie pojedynczych, podwójnych i potrójnych wiązań węgiel-węgiel, zobaczymy, że energia podwójnego wiązania jest mniejsza niż dwa razy, a potrójnego wiązania jest mniejsza niż trzykrotność energii pojedynczego wiązania C-C. Dlatego przemianie wiązań wielokrotnych w proste, np. podczas polimeryzacji, towarzyszy uwolnienie energii.

Energia wiązania (Е), kcal/mol 88 146 200

W przypadku innych elementów najczęściej obserwuje się odwrotny wzór. Na przykład, przechodząc od prostych do podwójnych i potrójnych wiązań azot-azot, ich energia podwaja się i potraja.

Energia wiązania (Е), kcal/mol 38 100 226

Tak więc dla węgla korzystne jest tworzenie łańcuchów węglowych, a dla azotu cząsteczki dwuatomowe. Łańcuchy azotowo-azotowe mogą składać się z nie więcej niż czterech atomów.

>> Chemia: stany walencyjne atomu węgla

Wiesz już, że orbitale elektronowe charakteryzują się różnymi wartościami energii, różnymi kształtami geometrycznymi i orientacją w przestrzeni. Tak więc orbital 1s ma niższą energię. Następnie następuje orbital 2s, który ma wyższą energię. Oba te orbitale mają kształt kuli. Naturalnie orbital 2s jest większy niż orbital 1s: wyższa energia jest konsekwencją większej średniej odległości między elektronami a jądrem. Trzy orbitale 2s w kształcie hantli o równej energii są skierowane wzdłuż osi współrzędnych. Dlatego oś każdego orbitala 2p jest prostopadła do osi pozostałych dwóch orbitali 2p.

Atomy węgla tworzące związki organiczne zawsze będą czterowartościowe, będą miały konfigurację elektronową 1s 2 2s 2 2p 2 i mogą być w trzech stanach walencyjnych.

Rozważmy pierwszy stan walencyjny atomu węgla na przykładzie cząsteczki metanu CH4.

Kiedy powstaje cząsteczka metanu CH4, atom węgla przechodzi ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego i ma cztery niesparowane elektrony: jeden i trzy elektrony p, które biorą udział w tworzeniu czterech wiązań a z czterema atomami wodoru. Jednocześnie należy oczekiwać, że trzy wiązania C-H powstałe w wyniku sparowania trzech p-elektronów atomów węgla z trzema „elektronami trzech atomów wodoru (s-p) powinny różnić się od czwartego (s-s) wiązania siłą, długością , kierunek. Obliczenie gęstości elektronowej kryształów metanu pokazuje, że wszystkie wiązania w jego cząsteczce są równoważne i skierowane ku wierzchołkowi czworościanu. Wyjaśnia to fakt, że podczas tworzenia cząsteczki metanu powstają wiązania kowalencyjne z powodu interakcji nie „czystej”, ale tak zwanej hybrydy, tj. uśrednionego kształtu i wielkości (a w konsekwencji energii ), orbitale.

Hybrydyzacja orbitali to proces dopasowywania ich pod względem kształtu i energii.

Liczba orbitali hybrydowych jest równa liczbie oryginalnych orbitali. W porównaniu z nimi orbitale hybrydowe są bardziej wydłużone w przestrzeni, co zapewnia ich pełniejsze nakładanie się z orbitalami sąsiednich atomów.

W cząsteczce metanu i innych alkanach, a także we wszystkich cząsteczkach organicznych, w miejscu pojedynczego wiązania atomy węgla będą w stanie hybrydyzacji sp 3, czyli orbitali jednego elektronu s i trzech elektronów p przeszły hybrydyzację na atomie węgla i cztery takie same orbitale hybrydowe.

W wyniku nakładania się czterech hybrydowych orbitali sp 3 atomu węgla i orbitali s czterech atomów wodoru powstaje czworościenna cząsteczka metanu z czterema identycznymi wiązaniami a pod kątem 109 ° 28 ". Jeśli jeden atom wodoru jest zastąpione przez grupę CH3 w cząsteczce metanu, wówczas cząsteczka etanu otrzyma CH3-CH3.

Atom węgla, który ma trzy atomy wodoru i jeden atom węgla, nazywany jest pierwotnym.

W cząsteczce etanu występuje pojedyncze (czasami nazywane zwykłym, zwykłym) niepolarne wiązanie węgiel-węgiel o długości 0,154 nm.

W cząsteczce propanu CH3-CH2-CH3 znajdują się dwa atomy wodoru i dwa atomy węgla przy centralnym atomie węgla. Taki atom nazywa się wtórnym.

Jeśli atom węgla jest związany z trzema atomami węgla, mówimy o atomie trzeciorzędowym:

CH3 - CH - CH3
CH3

Węgiel zawierający cztery atomy węgla nazywany jest czwartorzędem:

CH3
CH3 - C - CH3
CH3

Rozważmy drugi stan walencyjny atomu węgla na przykładzie cząsteczki etylenu C2H4. Jak pamiętasz, pomiędzy atomami węgla istnieje wiązanie podwójne, co odzwierciedlone jest we wzorze strukturalnym dwoma identycznymi myślnikami:

Wiązania odzwierciedlone przez te kreski, choć kowalencyjne, różnią się sposobem nakładania się – jedno z nich to a, drugie to P.

W cząsteczce etylenu każdy atom węgla jest połączony nie z czterema, ale z trzema innymi atomami (z jednym atomem węgla i dwoma atomami wodoru), dlatego tylko trzy orbitale elektronowe wchodzą w hybrydyzację: występuje jeden i dwa p, tj. sp 2 – hybrydyzacja. Te trzy orbitale znajdują się w tej samej płaszczyźnie pod kątem 120° względem siebie. Orbitale każdego atomu węgla pokrywają się z orbitalami s dwóch atomów wodoru oraz z tym samym orbitalem sp2-rm6-rid sąsiedniego atomu węgla i tworzą trzy wiązania a pod tym samym kątem 120°. Dlatego cząsteczka etylenu będzie miała strukturę płaską. Dwa orbitale p atomów węgla, które nie uczestniczą w hybrydyzacji, będą nakładać się w dwóch regionach prostopadłych do płaszczyzny cząsteczki („zachodzenie boczne”) i tworzyć P-połączenie.

Jednak „boczne” nakładanie się p-orbitali występuje w mniejszym stopniu niż p-orbitali wzdłuż linii wiązania, a ponadto powstaje w większej odległości od jąder atomów wiążących. Dlatego wiązanie I będzie słabsze niż P-połączenie. Jednak pod wpływem P- wiązania, atomy węgla są jeszcze bliżej siebie: w cząsteczkach metanu CH4 i etanu C2H6 odległość między jądrami atomów (długość wiązania) wynosi 0,154 nm, a w cząsteczkach etylenu C2H4 wynosi 0,134 nm.

Rozważmy trzeci stan walencyjny atomu węgla na przykładzie cząsteczki acetylenu C2H2, w której realizowane jest wiązanie potrójne CH=CH: jedno wiązanie a i dwa wiązania n. Cząsteczka acetylenu ma strukturę liniową, ponieważ w niej każdy atom węgla jest połączony wiązaniami a tylko z dwoma innymi atomami - atomem węgla i atomem wodoru, podczas gdy zachodzi hybrydyzacja BP, w której uczestniczą tylko dwa orbitale - jeden s i jeden p . Dwa orbitale hybrydowe są zorientowane względem siebie pod kątem 180° i tworzą dwa P-wiąże się z orbitalem s atomu wodoru i jeszcze jednym P wiązania znajdujące się we wzajemnie prostopadłych płaszczyznach.

Pojawienie się trzeciego wiązania powoduje dalszą zbieżność atomów węgla - odległość między nimi (długość wiązań C \u003d -C) w cząsteczce acetylenu wynosi 0,120 nm.

1. Jakie znasz typy hybrydyzacji orbitali elektronowych atomu węgla?

2. Kolejność połączeń atomów w cząsteczkach odzwierciedla wzory strukturalne. Określ typ hybrydyzacji każdego atomu węgla w cząsteczce 1,2-butadienu, jeśli jej wzór strukturalny to

3. Ile orbitali drugiego poziomu energetycznego atomu węgla nie bierze udziału w hybrydyzacji n; w hybrydyzacji pr2; w hybrydyzacji Yar3?

4. Jakie są kąty między osiami atomu węgla dla:

a) orbitale hybrydowe sp 2;

b) orbitale sp-hybrydowe;

c) orbitale p hybrydowe i niehybrydowe;

d) niehybrydowe orbitale p;

e) orbitale hybrydowe sp 3?

Treść lekcji podsumowanie lekcji wsparcie ramka prezentacja lekcji metody akceleracyjne technologie interaktywne Ćwiczyć zadania i ćwiczenia samokontrola warsztaty, szkolenia, case'y, questy praca domowa pytania do dyskusji pytania retoryczne od studentów Ilustracje audio, wideoklipy i multimedia fotografie, obrazki grafika, tabele, schematy humor, anegdoty, żarty, komiksy przypowieści, powiedzenia, krzyżówki, cytaty Dodatki streszczenia artykuły chipy dla dociekliwych ściągawki podręczniki podstawowe i dodatkowe słowniczek pojęć inne Doskonalenie podręczników i lekcjipoprawianie błędów w podręczniku aktualizacja fragmentu w podręczniku elementów innowacji na lekcji zastępując przestarzałą wiedzę nową Tylko dla nauczycieli doskonałe lekcje plan kalendarzowy na rok zalecenia metodyczne programu dyskusji Zintegrowane lekcje

Kontynuacja. Na początek zobacz № 15, 16/2004

Lekcja 5
orbitale atomowe węgla

Kowalencyjne wiązanie chemiczne powstaje przy użyciu wspólnych par elektronów wiążących typu:

Tworzą wiązanie chemiczne, tj. tylko niesparowane elektrony mogą tworzyć wspólną parę elektronów z „obcym” elektronem z innego atomu. Podczas pisania wzorów elektronicznych niesparowane elektrony znajdują się jeden po drugim w komórce orbitalnej.
orbital atomowy to funkcja opisująca gęstość chmury elektronów w każdym punkcie przestrzeni wokół jądra atomu. Chmura elektronów to obszar przestrzeni, w którym z dużym prawdopodobieństwem można znaleźć elektron.
Aby zharmonizować strukturę elektronową atomu węgla i wartościowość tego pierwiastka, stosuje się koncepcje wzbudzenia atomu węgla. W stanie normalnym (niewzbudzonym) atom węgla ma dwa niesparowane 2 R 2 elektrony. W stanie wzbudzonym (kiedy energia jest pochłaniana) jeden z 2 s 2-elektrony mogą przejść na wolność R-orbitalny. Wtedy w atomie węgla pojawiają się cztery niesparowane elektrony:

Przypomnij sobie, że w formule elektronicznej atomu (na przykład dla węgla 6 C - 1 s 2 2s 2 2p 2) duże cyfry przed literami - 1, 2 - wskazują numer poziomu energii. Listy s oraz R wskazują kształt chmury elektronowej (orbitali), a liczby po prawej nad literami wskazują liczbę elektronów na danym orbicie. Wszystko s- orbitale kuliste:

Na drugim poziomie energii z wyjątkiem 2 s-są trzy orbitale 2 R-orbitale. Te 2 R-orbitale mają kształt elipsoidalny, podobny do hantli i są zorientowane w przestrzeni pod kątem 90 ° względem siebie. 2 R-Orbitale oznaczają 2 px, 2r y i 2 pz zgodnie z osiami, wzdłuż których znajdują się te orbitale.

Kiedy tworzą się wiązania chemiczne, orbitale elektronowe przybierają ten sam kształt. Tak więc w węglowodorach nasyconych jeden s-orbitalny i trzy R-orbitale atomu węgla tworzące cztery identyczne (hybrydowe) sp 3-orbitale:

To - sp 3 - hybrydyzacja.
Hybrydyzacja– wyrównanie (mieszanie) orbitali atomowych ( s oraz R) wraz z tworzeniem nowych orbitali atomowych, zwanych orbitale hybrydowe.

Orbitale hybrydowe mają kształt asymetryczny, wydłużony w kierunku przyłączonego atomu. Chmury elektronowe odpychają się i znajdują się w przestrzeni jak najdalej od siebie. Jednocześnie osie czterech sp 3-orbitale hybrydowe okazują się być skierowane do wierzchołków czworościanu (regularna trójkątna piramida).
W związku z tym kąty między tymi orbitalami są czworościenne, równe 109°28".
Wierzchołki orbitali elektronowych mogą zachodzić na orbitale innych atomów. Jeśli chmury elektronowe zachodzą na siebie wzdłuż linii łączącej centra atomów, nazywa się takie wiązanie kowalencyjne sigma()-bond. Na przykład w cząsteczce C2H6 etanu wiązanie chemiczne powstaje między dwoma atomami węgla przez zachodzenie na siebie dwóch orbitali hybrydowych. To jest połączenie. Ponadto każdy z atomów węgla z trzema sp 3-orbitale nakładają się na s-orbitale trzech atomów wodoru, tworzące trzy wiązania.

W sumie dla atomu węgla możliwe są trzy stany walencyjne o różnych typach hybrydyzacji. Oprócz sp 3-hybrydyzacja istnieje sp 2 - i sp-hybrydyzacja.
sp 2 -Hybrydyzacja- mieszanie jednego s- i dwa R-orbitale. W rezultacie trzy hybrydy sp 2 -orbitale. Te sp 2 -orbitale znajdują się w tej samej płaszczyźnie (z osiami X, w) i są skierowane na wierzchołki trójkąta o kącie między orbitalami równym 120°. niezhybrydyzowany
R-orbital jest prostopadły do ​​płaszczyzny trzech hybryd sp 2 orbitale (zorientowane wzdłuż osi z). Górna połowa R-orbitale znajdują się powyżej płaszczyzny, dolna połowa znajduje się poniżej płaszczyzny.
Typ sp 2-hybrydyzacja węgla zachodzi w związkach z podwójnym wiązaniem: C=C, C=O, C=N. Co więcej, tylko jedno z wiązań między dwoma atomami (na przykład C=C) może być wiązaniem. (Pozostałe orbitale wiążące atom są skierowane w przeciwnych kierunkach.) Drugie wiązanie powstaje w wyniku nakładania się niehybrydowych R-orbitale po obu stronach linii łączącej jądra atomów.

Wiązanie kowalencyjne utworzone przez boczne nakładanie R-orbitale sąsiednich atomów węgla to pi()-wiązanie.

Edukacja - komunikacja

Ze względu na mniejsze nakładanie się orbitali, wiązanie - jest słabsze niż wiązanie -.
sp-Hybrydyzacja jest mieszaniem (wyrównaniem formy i energii) jednego s- i jeden
R-orbitale z formacją dwóch hybryd sp-orbitale. sp- Orbitale znajdują się na tej samej linii (pod kątem 180 °) i skierowane w przeciwnych kierunkach od jądra atomu węgla. Dwa
R-orbitale pozostają niezhybrydyzowane. Są ustawione prostopadle do siebie.
kierunki - połączenia. Na obrazie sp-orbitale są pokazane wzdłuż osi tak, a dwie niezhybrydyzowane
R-orbitale - wzdłuż osi X oraz z.

Potrójne wiązanie węgiel-węgiel CC składa się z wiązania -, które występuje podczas nakładania się
sp orbitale hybrydowe i dwa wiązania.
Zależność między takimi parametrami atomu węgla jak liczba przyłączonych grup, rodzaj hybrydyzacji i rodzaje powstających wiązań chemicznych przedstawiono w tabeli 4.

Tabela 4

Wiązania kowalencyjne węgla

Liczba grup związane z z węglem	Typ hybrydyzacja	Rodzaje uczestniczący wiązania chemiczne	Przykłady wzorów złożonych
4	sp 3	Cztery - połączenia
3	sp 2	Trzy - połączenia i jednym jest połączenie
2	sp	Dwa - połączenia i dwa połączenia	H-CC-H

Ćwiczenia.

1. Jakie elektrony atomów (na przykład węgiel lub azot) nazywane są niesparowanymi?

2. Co oznacza pojęcie „wspólnych par elektronów” w związkach z wiązaniem kowalencyjnym (na przykład CH 4 lub H2S )?

3. Jakie są stany elektronowe atomów (na przykład C lub N ) są nazywane podstawowymi, a które są podekscytowane?

4. Co oznaczają liczby i litery w formule elektronicznej atomu (na przykład C lub N )?

5. Co to jest orbital atomowy? Ile orbitali znajduje się na drugim poziomie energetycznym atomu C a czym się różnią?

6. Jaka jest różnica między orbitalami hybrydowymi a oryginalnymi orbitalami, z których powstały?

7. Jakie typy hybrydyzacji są znane dla atomu węgla i czym one są?

8. Narysuj obraz przestrzennego układu orbitali dla jednego ze stanów elektronowych atomu węgla.

9. Jak nazywają się wiązania chemiczne i co? Sprecyzować-oraz-połączenia w połączeniach:

10. Dla atomów węgla związków poniżej, wskazać: a) rodzaj hybrydyzacji; b) rodzaje jego wiązań chemicznych; c) kąty wiązania.

Odpowiedzi na ćwiczenia do tematu 1

Lekcja 5

1. Elektrony, które są po jednym na orbitę, są nazywane niesparowane elektrony. Na przykład we wzorze dyfrakcji elektronów wzbudzonego atomu węgla występują cztery niesparowane elektrony, a atom azotu ma trzy:

2. Nazywa się dwa elektrony uczestniczące w tworzeniu jednego wiązania chemicznego wspólna para elektronów. Zwykle przed powstaniem wiązania chemicznego jeden z elektronów tej pary należał do jednego atomu, a drugi do innego atomu:

3. Stan elektronowy atomu, w którym obserwuje się kolejność wypełniania orbitali elektronowych: 1 s 2 , 2s 2 , 2p 2 , 3s 2 , 3p 2 , 4s 2 , 3d 2 , 4p 2 itd. są nazywane stan główny. W stan podniecenia jeden z elektronów walencyjnych atomu zajmuje orbitę swobodną o wyższej energii, takiemu przejściu towarzyszy rozdzielenie sparowanych elektronów. Schematycznie jest napisane tak:

Podczas gdy w stanie podstawowym były tylko dwa niesparowane elektrony walencyjne, w stanie wzbudzonym są cztery takie elektrony.

5. Orbital atomowy to funkcja opisująca gęstość chmury elektronów w każdym punkcie przestrzeni wokół jądra danego atomu. Na drugim poziomie energetycznym atomu węgla są cztery orbitale - 2 s, 2px, 2r y, 2pz. Te orbitale to:
a) kształt chmury elektronowej ( s- piłka, R- hantle);
b) R-orbitale mają różne orientacje w przestrzeni - wzdłuż wzajemnie prostopadłych osi x, tak oraz z, są oznaczone px, r y, pz.

6. Orbitale hybrydowe różnią się od oryginalnych (niehybrydowych) orbitali kształtem i energią. Na przykład, s-orbital - kształt kuli, R- symetryczna ósemka, sp-hybrydowy orbital - asymetryczna ósemka.
Różnice energetyczne: mi(s) < mi(sp) < mi(R). W ten sposób, sp-orbital - orbital uśredniony pod względem kształtu i energii, uzyskany przez zmieszanie początkowego s- oraz p-orbitale.

7. Dla atomu węgla znane są trzy typy hybrydyzacji: sp 3 , sp 2 i sp (zobacz tekst lekcji 5).

9. -bond - wiązanie kowalencyjne utworzone przez czołowe nakładanie się orbitali wzdłuż linii łączącej centra atomów.
-bond - wiązanie kowalencyjne utworzone przez boczne nakładanie się R-orbitale po obu stronach linii łączącej centra atomów.
- Wiązania są pokazane przez drugą i trzecią linię pomiędzy połączonymi atomami.

W przypadku cząsteczek homojądrowych kombinację $AO$ przeprowadziliśmy stosując zasadę, zgodnie z którą najsilniej oddziałują orbitale o tej samej energii. W cząsteczkach heterojądrowych typu $AB$ poziomy energetyczne atomów $A$ i $B$ nie są takie same, więc trudno jednoznacznie stwierdzić, które orbitale zostaną połączone. W przypadku $LiH$ pokazano to na ryc. jeden.

Rysunek 1. Poziomy energii $AO$, $Li$ i $H$

Przedstawione są wieloatomowe cząstki chemiczne (cząsteczki, rodniki, jony) o ogólnym wzorze cząsteczkowym $B_n$ zawierające jeden centralny atom $A$, dwa lub więcej terminalnych atomów $B$ iw efekcie tylko wiązania $A-B \sigma $.

Geometryczny kształt cząstek $AB_n$ został wyprowadzony z metody wiązań walencyjnych, czyli ze stereochemicznego układu osi hybrydowych orbitali walencyjnych centralnego atomu $A$, a co za tym idzie $\sigma $-wiązania $ A-B$.

Orbitale hybrydowe pomagają zrozumieć strukturę przestrzenną cząsteczek, na przykład dlaczego cząsteczka wody ma konfigurację kątową, amoniak ma konfigurację piramidalną, a metan ma konfigurację czworościenną.

Rozważenie związku między hybrydyzacją a kształtem cząsteczek

Wodorek berylu, $BeH_2$, ma strukturę liniową. Aby skonstruować zlokalizowane orbitale molekularne wiążące, najpierw tworzone są dwa równoważne orbitale walencyjne atomu $Be$, skierowane w stronę dwóch atomów wodoru, odpowiednio $H_a$ i $H_b$. Odbywa się to przez hybrydyzację lub mieszanie (składając kombinację liniową), orbitali $2s-$ i $2p$ z $Be$, co daje w wyniku dwa równoważne orbitale "$sp$-hybrydowe". Jeden z tych hybrydowych orbitali, $sp_a$, jest skierowany w stronę atomu $H_a$ i silnie pokrywa się z orbitalem $1s_a$. Inny orbital hybrydowy, $sp_b$, jest skierowany w stronę atomu $H_b$ i silnie pokrywa się z orbitalem $1s_b$. Zgodnie z tym tokiem rozumowania, dwa wiążące orbitale molekularne $BeH_2$ są uzyskiwane przez skonstruowanie dwóch równoważnych kombinacji liniowych, z których każda jest zlokalizowana między dwoma atomami:

Te zlokalizowane orbitale molekularne pokazano na ryc. 2. Znajdują się na nich cztery elektrony walencyjne, tworząc dwie zlokalizowane pary elektronów wiążących, zgodnie ze strukturą wiązania Lewisa dla $BeH_2$. Każdy z liniowych orbitali $sp$-hybrydowych ma w połowie $p$-znak i połowę $s$-znak, a dwa orbitale $sp$ pozwalają centralnemu atomowi $Be$ w $BeH_2$ przyłączyć do siebie dwa atomy wodoru .

Rozważmy teraz cząsteczkę $BH_3$ (która jest obserwowana w eksperymentach spektrometrii masowej i jest fragmentem cząsteczki $B_2H_6$). W tej cząsteczce trzy atomy wodoru są przyłączone do centralnego atomu boru. Zgodnie z teorią zlokalizowanych orbitali molekularnych, wiązanie w tej cząsteczce powstaje w wyniku hybrydyzacji orbitali $2s$ i dwóch orbitali $2p$ atomu boru, tworząc trzy równoważne orbitale hybrydowe $sp^2$. Każdy orbital hybrydowy ma jedną trzecią znaku $s$ i dwie trzecie znaku $p$. Ponieważ dowolne dwa orbitale $p$ leżą na tej samej płaszczyźnie, a orbital $s$ nie ma orientacji przestrzennej, trzy orbitale $sp^2$-hybrydowe leżą na tej samej płaszczyźnie. Te trzy orbitale hybrydowe $sp^2$ pokrywają się z trzema orbitalami wodoru $1s$, tworząc trzy równoważne zlokalizowane orbitale wiążące. Każdy z tych orbitali $(sp^2+1s)$-jest zajęty w cząsteczce $BH_3$ przez parę elektronów, jak pokazano schematycznie na ryc. 4. W oparciu o koncepcję orbitali hybrydowych można przewidzieć, że cząsteczka $BH_3$ powinna mieć płaską strukturę trygonalną. Kąt między osiami międzyjądrowymi $H-B-H$, zwany kątem wiązania $H-B-H$, powinien wynosić 120$^\circ$.

Rysunek 2. Wiązanie par elektronów na zlokalizowanych wiązaniach cząsteczki $BeH_2$, utworzonych przy udziale równoważnych hybryd $sp$-orbitali atomu $Be$. Każdy $sp$-orbital $Be$ tworzy zlokalizowany orbital molekularny wiążący się z orbitalem $1s$ atomu wodoru

Rysunek 3. Wzajemne nakładanie się orbitali. Orbitale hybrydowe: a - zachodzące na siebie orbitale $s$; b - nakładanie się orbitali $s-$; c - nakładanie się orbitali $p-$; d - $p$-hybrydowy orbital; e - $sp^2$-orbitale hybrydowe; e - $sp^3$-orbitale hybrydowe

Rysunek 4. Pary elektronów uspołecznione na zlokalizowanych obligacjach w $BH_3$

Metan, $CH_4$, ma cztery równoważne atomy wodoru przyłączone do centralnego atomu węgla. Aby połączyć się z czterema atomami wodoru, węgiel musi wykorzystać wszystkie swoje orbitale walencyjne. Hybrydyzując jeden orbital $2s-$ i trzy $2p$, można uzyskać cztery równoważne orbitale hybrydowe $sp^3$. Każdy orbital hybrydowy $sp^3$ ma jedną czwartą znaku $s$ i trzy czwarte znaku $p$. Wszystkie cztery orbitale $sp^3$ są skierowane do wierzchołków czworościanu foremnego, dlatego orbitale $sp^3$ są czasami nazywane hybrydami czworościennymi. W wyniku nakładania się każdego orbitala hybrydowego $sp^3$ z orbitalem $1s-$ atomu wodoru, powstają cztery zlokalizowane orbitale wiążące. Najlepsze nakładanie się orbitali $sp^3$ i $1s$ uzyskuje się umieszczając cztery atomy wodoru na wierzchołkach czworościanu foremnego, jak pokazano na ryc. 5 (który przedstawia sześcian, którego naprzemienne wierzchołki tworzą wierzchołki wspomnianego czworościanu). Cząsteczka metanu ma osiem elektronów walencyjnych (cztery z atomu węgla i po jednym z każdego z czterech atomów wodoru), które muszą być umieszczone w czterech zlokalizowanych orbitalach wiążących. Te osiem elektronów tworzy cztery równoważne zlokalizowane pary elektronów wiążące, pokazane schematycznie na ryc. 5.

Strukturę cząsteczki $CH_4$ określono różnymi metodami doświadczalnymi. Wszystkie uzyskane dane prowadzą do wniosku o budowie czworościennej cząsteczki $CH_4$ (rys. 6), co jest w pełni zgodne z przewidywaniami teorii zlokalizowanych orbitali molekularnych. Kąt wiązania $H-C-H$ wynosi 109,5^\circ$, a długość wiązania $C-H$ wynosi 1,093 A$.

Rysunek 5. Pary elektronów uspołecznione na zlokalizowanych obligacjach w $CH_4$

Rysunek 6. Czterościenna struktura molekularna $CH_4$