En basit organik bileşik metandır. Molekülü beş atomdan oluşur - bir karbon atomu ve dört hidrojen atomu, bu merkezi karbon atomunun etrafında uzayda eşit olarak dağılmıştır. Burada her şeyden önce organik kimyanın en önemli varsayımıyla karşı karşıyayız - tüm yüksüz organik moleküllerde karbon her zaman dört değerlidir. Grafiksel olarak, bu, diğer elementlerin veya aynı karbonun kimyasal sembolleriyle dört çizgi ile bağlanması gerektiği gerçeğiyle ifade edilir. Metanda, dört hidrojen atomunun tümü karbon atomundan aynı uzaklıkta ve uzayda mümkün olduğunca uzaktadır.

Metan molekülünde, karbon atomu düzenli bir tetrahedronun merkezinde bulunur ve köşelerinde dört hidrojen atomu bulunur.

Atomların boyutu dikkate alındığında, bir metan molekülü böyle görünür.

Bir molekül modeli oluşturmak için bir tetrahedron, yani eşkenar üçgenlerden oluşan düzenli bir tetrahedron alalım ve merkezine bir karbon atomu yerleştirelim. Hidrojen atomları tetrahedronun köşelerinde yer alacaktır. Tüm hidrojenleri merkezi karbon atomuna bağlayın. Bu tür iki çizgi arasındaki α açısı 109 derece 28 dakika olacaktır.

Böylece, bir metan modeli oluşturduk. Fakat gerçekte moleküllerin boyutları nelerdir? Son yıllarda, (aşağıda tartışılacak olan) fiziksel araştırma yöntemlerinin yardımıyla, organik bileşiklerin moleküllerindeki atomlar arası mesafeleri doğru bir şekilde belirlemek mümkün olmuştur. Bir metan molekülünde, bir karbon atomunun merkezleri ile herhangi bir hidrojen atomu arasındaki mesafe 0.109 nm'dir (1 nanometre, nm, 10-9 m'ye eşittir). Bir molekülün uzayda nasıl göründüğünü görselleştirmek için, atomların belirli bir yarıçaptaki toplar olarak gösterildiği Stuart-Briegleb modellerini kullanırlar.

Şimdi kendimize şu soruyu soralım: Organik bir bileşiğin molekülündeki atomları hangi kuvvetler bağlar, hidrojen atomları neden karbon merkezinden çıkmaz?

Karbon atomu, pozitif yüklü bir çekirdekten (yükü +6'dır) ve çekirdeğin etrafında her biri belirli bir enerji seviyesine karşılık gelen çeşitli orbitalleri * işgal eden altı elektrondan oluşur.

* (Yörünge, bir elektronla karşılaşma olasılığının en yüksek olduğu uzay bölgesi olarak düşünülebilir.)

İki elektron çekirdeğe en yakın en düşük yörüngeyi işgal eder. "Çekirdekleri" ile en güçlü şekilde etkileşime girerler ve kimyasal bağların oluşumunda yer almazlar. Başka bir şey diğer dört elektron. Sözde uyarılmamış karbon atomunda, yani diğer atomlarla herhangi bir bağ oluşturmayan ayrı bir atomda, bu elektronların aşağıdaki gibi düzenlendiğine inanılmaktadır: iki alt alt seviyede s ve ikisi daha yüksek bir alt seviyede R. Biraz basitleştirilmiş ve şematik olarak, bir elektronu oluşturan bulutun üzerinde yer aldığını varsayabiliriz. s-alt seviye, küre şeklindedir. Bulutlar R-elektronlar hacim sekizleri gibi görünürler ve bu sekizler uzayda eksenler boyunca yer alabilir. x, y ve z. Buna göre, her atomun üç R-orbitaller: px, r y ve pz. Yani bir atomdaki her yörünge belirli bir şekle sahiptir ve uzayda özel bir şekilde bulunur.

Diğer atomlarla etkileşime girebilmek, onlarla kimyasal bağlar kurabilmek için öncelikle karbon atomunun özel bir duruma girmesi gerekir. heyecanlı durum. Bu durumda, bir elektron atlar s-yörüngeler p-orbital. Sonuç olarak, bir elektron küresel bir yer kaplar. s-orbital ve diğer üç elektron, üç rakamlı sekiz yörünge oluşturur. Ancak bu konum atom için enerjik olarak elverişsizdir. Atomun düşük enerjisi, uzayda simetrik olarak yerleştirilmiş dört özdeş yörüngeye karşılık gelir. Bu nedenle, karıştırma, ortalama alma veya dedikleri gibi, hibridizasyon mevcut yörüngeler, dört yeni özdeş orbital ile sonuçlanır.

Bu hibrit orbitaller de sekiz rakamına benzer, ancak sekiz rakamı tek taraflıdır: elektron yoğunluğu neredeyse tamamen bir tarafa kaydırılmıştır. Bu tür hibritleştirilmiş orbitaller gösterilir sp 3(oluşumlarında yer alan hibrit olmayan farklı orbitallerden gelen elektronların sayısına göre: s-yörüngeler ve üç - ile R-orbitaller).

Metan molekülü nasıl düzenlenir? Karbon atomundan farklı yönlerde (veya daha doğrusu, etrafına inşa edilebilecek hayali bir tetrahedronun köşelerine) yönlendirilen dört hibrit orbitalin her birine, hidrojen atomları H sığar. Bir hidrojen atomu, + yükü olan bir çekirdektir. 1 (sıradan hidrojenin hafif bir izotopu için - sadece bir proton) ve protonun etrafında küresel bir yörüngeyi işgal eden bir elektron. "Karbon" ve "hidrojen" elektron bulutları örtüşür ve bu, kimyasal bir bağın oluşumu anlamına gelir. Farklı atomların elektron bulutları ne kadar çok örtüşürse, bağ o kadar güçlü olur. Şimdi hibritleştirilmiş orbitallerin neden daha karlı olduğu açık hale geliyor - sonuçta, böyle tek taraflı, çıkıntılı bir sekiz rakamı, uzayda daha az genişletilmiş hibrit olmayan orbitallerden çok bir hidrojen elektron bulutuyla çok daha güçlü bir şekilde örtüşebilir. Bu argümanların biraz keyfi olduğuna dikkat edin: tabiri caizse saf, tek ve uyarılmamış bir karbon atomu gerçekte mevcut değildir. Bu nedenle, hibridizasyon adı verilen tüm bu yörünge dönüşümlerinin gerçekte nasıl gerçekleştiğini tartışmanın bir anlamı yoktur. Bununla birlikte, kimyasal bağları formüller ve sayılar aracılığıyla tanımlamanın rahatlığı için, bu tür uzlaşımların yararlı olduğu ortaya çıktı. Bunu tekrar tekrar göreceğiz.

Metan nasıl elde edilir?

En basit yollardan biri, alüminyum karbür üzerine su ile etki etmektir:

Bununla birlikte, alüminyum karbür, metan gibi yaygın, ucuz bir ürün elde etmek için çok pahalı bir başlangıç ​​malzemesidir ve onu başka bileşiklerden elde etmeye gerek yoktur - sonuçta, doğal gaz% 85-98 metandan oluşur.

Metan, organik bileşiklerin oluşturulabileceği ana yapı taşlarından biridir. Bu bileşikler nelerdir ve metandan nasıl elde edilir?

Aslında metan nispeten inert bir maddedir ve onunla gerçekleştirilebilecek kimyasal reaksiyonlar dizisi küçüktür.

İki gaz - metan ve klor karışımı alalım ve bir cam kaba koyalım. Bu kap karanlıkta tutulursa herhangi bir reaksiyon gözlenmez. Ama şişeyi güneş ışığı ile aydınlatmaya çalışalım..

Bir miktar ışık bir klor molekülü ile etkileşir, sonuç olarak molekül iki parçaya bölünür - iki klor atomu:

Ortaya çıkan atomlar moleküllerden çok daha aktiftir, hemen metan moleküllerine saldırır ve hidrojen atomlarını yakalarlar. Bu durumda, hidrojen klorür HCl molekülleri ve çok kararsız, çok aktif parçacıklar, sözde metil radikalleri ⋅CH3 oluşur:

Sonuç, zaten bildiğimiz bir klor atomudur (daha sonraki kaderini tahmin etmek zor değildir: yeni metan moleküllerine saldırır ve her şey tekrar eder) ve klorometan veya metil klorür, hidrojen atomlarından birinin bulunduğu bir metan türevidir. klor ile değiştirilir.

Tanımladığımız tepki, sözde tepkime kategorisine aittir. zincirleme reaksiyonlar, bir zincirde olduğu gibi her aşamanın bir öncekiyle ve bir sonrakiyle bağlantılı olduğu. Aktif parçacıklar - bir aşamanın ürünü (burada bunlar klor atomları ve metil radikalleri ⋅CH 3) - bir sonraki aşamada başlangıç ​​malzemeleri olarak kullanılır. Zincir reaksiyonlarının keşfi, kimya bilimi tarihindeki en önemli olaylardan biriydi ve Akademisyen N. N. Semenov ve İngiliz bilim adamı S. N. Hiishelwood, bu tür reaksiyonların araştırılmasına ve teorilerinin oluşturulmasına katkılarından dolayı Nobel Ödülü'ne layık görüldü.

Klor molekülü başına iki metan molekülü olacak şekilde reaksiyona bu kadar miktarda reaktif eklenirse, temel olarak metil klorür CH3Cl elde ederiz. Fazla klor alırsak, ikame reaksiyonu daha da ileri gidecek ve metil klorürün yanı sıra metilen klorür CH2Cl2, kloroform CHCl3 ve son olarak hidrojenin tamamen klor ile değiştirilmesinin ürünü de alacağız. , karbon tetraklorür CCl 4:

Ama görevimizi unutmayalım: basit yapı taşlarından - metan moleküllerinden - çeşitli karmaşık moleküller oluşturmak. Bunun için metil klorüre ihtiyacımız var. Bu bileşik üzerinde metalik sodyum ile hareket ederseniz, her iki CH3 Cl molekülünden, içinde bir karbon-karbon bağı bulunan bir etan molekülü oluşur:

etan nedir? Bu, hidrojenlerden birinin metil ⋅CH3 radikali ile değiştirildiği metandır. Ve bu radikalin kendisi, zaten bildiğimiz gibi, bir hidrojen atomunun metandan ayrılmasıyla elde edilir.

Şimdi hidrojenlerden birini (herhangi bir atomu) etan içindeki metil ile değiştirirsek, yeni bir madde elde ederiz - propan CH3 -CH2 -CH3. Bunun pratikte nasıl yapılabileceğini biliyoruz: önce metan ve etanda, bir hidrojeni klor ile değiştirin ve ardından metil ve etil klorürün sodyum ile karışımına etki edin (bu reaksiyona Fransız kimyagerinin onuruna Wurtz reaksiyonu denir). keşfetti):

Daha ileri gidelim. Propandaki hidrojen atomlarından birini klor ile değiştirelim. Görünüşe göre artık hangi atomun değiştirileceği önemli değil! Aşırı karbon atomunda (bu tür iki atom vardır) veya ortadaki hidrojeni değiştirerek iki farklı bileşik elde ederiz: normal propil klorür ( n-propil klorür) ve izopropil klorür:

Şimdi bu bileşiklerin her birindeki klor atomlarını metil gruplarıyla değiştirelim. İki farklı bütan elde edeceğiz - normal (yani dallanmamış) bütan ( n-bütan) ve aynı-bütan:

Elde edilen moleküllere bir "tuğla" daha ekleyelim. İle başlayalım n-bütan. Burada en dıştaki hidrojen atomlarından biri metil ile değiştirilebilir. Normal pentan elde ederiz. Orta hidrojenlerden birini değiştirebilirsiniz. gelelim aynı-pentan. Görünüşe göre n-Bütan artık yeni bir şey almayacak. hadi dönelim aynı- bütan. İçindeki aşırı hidrojenlerden birini değiştirirsek (CH 3 gruplarında), o zaman daha önce bahsedilenlere geleceğiz. aynı-pentan ve ortalama tek hidrojen atomunu değiştirerek neopentan elde ederiz:

Bu işleme süresiz olarak devam edebilirsiniz. Tüm bu bağlantılara denir hidrokarbonlar(daha kesin - doymuş hidrokarbonlar veya alkanlar), çünkü sadece iki elementten oluşurlar - karbon ve hidrojen. Herhangi bir alkan 2 hidrojen atomuna sahiptir. n+ 2, nerede n karbon atomlarının sayısıdır. Bu nedenle doymuş hidrokarbonun formülü genel olarak aşağıdaki gibi yazılabilir: C n H 2n+2 .

Yapılarımızın inşasında, söylenmesi gerekir ki, zaman içinde durdurulduk. Gerçek şu ki, olası izomerlerin sayısı, alkan molekülündeki karbon atomlarının sayısındaki artışla birlikte feci şekilde hızla büyüyor. Yani, dekan için hidrokarbon C 10 H 22, 75 farklı izomer mümkündür, hidrokarbon C 20 H 42 (eikosan) için izomer sayısı 366 319'dur. Tetracontane için olası izomer sayısı, hidrokarbon C 40 H 82, çifttir. hayal etmesi zor: 62 491 178 805 831.

Şimdi neden bu kadar çok sayıda organik bileşiğin -birkaç milyonun- bugün zaten bilindiği ve bu açıdan organik kimyanın neden inorganik kimyayı çok geride bıraktığı anlaşılıyor. Ancak şimdiye kadar sadece organik maddelerin en basit temsilcileri tartışıldı - doymuş hidrokarbonlar.

Wurtz reaksiyonunu kullanarak metandan birkaç izomerik hidrokarbon elde ettik. Ancak pratikte bunu kimse yapmıyor. Gerçek şu ki, metan ile birlikte en basit hidrokarbonlar, bileşimi farklı alanlar için farklı olan doğal gazda bulunur. Örneğin, Kuzey Stavropol sahasının gazı %85 metan, yaklaşık %5 etan, %2,5 propan ve %1.4 pentan ve daha ağır hidrokarbonlar içerir. Gazlinskoye sahasının gazı %98 metan, içindeki etan ise sadece %1,6'dır. Petrolde pek çok hidrokarbon vardır, ancak daha sonraki bölümlerde bunun hakkında daha fazla bilgi verilecektir.

Düşük hidrokarbonlar - metan, etan, propan ve bütan - renksiz gazlar, kokusuz veya hafif benzin kokulu. Pentandan pentadekan C 15 H32'ye kadar olan hidrokarbonlar sıvıdır ve son olarak, normal sıcaklıkta daha yüksek hidrokarbonlar katıdır.

Karbon atomu sayısı arttıkça bileşiğin kaynama ve erime noktaları artar.

Doymuş hidrokarbonların başka bir adı vardır - parafinler, kimyasal inertliklerini yansıtan (Latince parum affinis- düşük afinite). Yine de kimya endüstrisinde çok çeşitli maddeler elde etmek için oldukça yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Metanın endüstriyel kullanımının ana yönleri şemada gösterilmiştir.

Metan ve doymuş hidrokarbonlar hakkında konuşmayı bitirmeden önce bir soruya cevap verelim: Parafinlerde iki karbon atomu arasındaki bağ, örneğin etanda nasıldır? Burada her şey basit - metanda olduğu gibi her bir karbon atomunun etrafında hibritlenmiş dört tane var. sp 3 yörünge, bunlardan üçü hidrojen atomlarıyla bağ kurar ve biri başka bir karbon atomunun tam olarak aynı yörüngesiyle örtüşür. C-C bağ uzunluğu 0.154 nm'dir.

Amonyak molekülünde nitrojen atomunun etrafındaki elektronlar da sp3 hibritleşmiş orbitallerde bulunur. Su molekülü durumunda da benzer bir tablo görülmektedir.

NH3H2O

Yörüngelerin sp3-hibridizasyonu ile karbon atomu sadece basit s-bağları verebilir. Karbon bir çift bağ oluşturduğunda sp 2 hibridizasyonu kullanılır (Şekil 7). Bu durumda, bir 2s ve iki 2p orbitali hibritleşmede yer alır ve bir 2p orbitali hibrit olmayan kalır. sp 2 orbitalleri eşdeğerdir, eksenleri eş düzlemlidir ve birbirleriyle 120°'lik bir açı oluştururlar; hibrit olmayan 2p yörüngesi, hibrit yörüngelerin düzlemine diktir.

Pirinç. 7 s ve

iki2 p yörüngeler üç oluşturacak sp 2 hibrit yörüngeler.

Karbon üçlü bir bağ oluşturduğunda, sp hibridizasyonu kullanılır. Bu durumda, bir 2s ve bir p orbitali hibridizasyonda yer alır ve iki 2p orbitali hibrit değildir (Şekil 8).

Pirinç. sekiz Bir 2'nin matematiksel hibridizasyon prosedürünün tasviri s ve bir

nuh2 p iki orbital oluşturacak sp hibrit yörüngeler.

asetilen

Egzersiz 13. (a) etanoik asit, (b) etanal, etanamit moleküllerindeki atomlar arasındaki bağları atomik orbitaller cinsinden tanımlayın ve tüm bağ açılarını tahmin edin.

Cevap(a)

Bağ uzunluğu ve enerjisi

Paylaşılan elektron çiftleri, birbirine bağlı iki atomu belirli bir mesafede tutar. bağ uzunluğu. Atomlar arasındaki bağ uzunluğu, kovalent yarıçaplarının (r) toplamına yaklaşık olarak eşittir (Tablo 2), bu da herhangi bir bağın uzunluğunu hesaplamayı mümkün kılar. l A - B = r A + r B

Tablo 2

Bazı elementlerin kovalent yarıçapları (r), Å

Eski. 14. İçinde(a) C-H, (b) C-C, (c) C=C ve (d) CºC için bağ uzunluklarını hesaplayın,

(e) C-O, (f) C=O, (g) C-Cl, ... Kovalent yarıçap değerleri Tabloda verilmiştir. 1.2.

Cevap(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) ...

Genel olarak, iki atom arasındaki bağ sayısı arttıkça uzunlukları azalır. Bazı moleküllerde, karbon-karbon bağ uzunluğu, tekli (1.54Â) ve çiftli (1.33Â) bağların uzunluğu arasında orta düzeydedir. Bu durumda, iletişim sırası hakkında konuşuyoruz. Böyle bir ilişkinin sırasının yaklaşık değeri grafiksel olarak bulunabilir.

Enerji, iş yapabilme yeteneğidir. Hareket eden bir cismin kinetik enerjisi vardır. Cisimler birbirini çeker veya iterse potansiyel enerjiye sahiptirler. Bir yay ile birbirine bağlanan iki top, yay gerilir veya sıkıştırılırsa potansiyel enerjiye sahip olabilir. Yay gerilirse bilyeler arasında çekici bir enerji, sıkıştırılırsa itici bir enerji vardır. bir yay verirsen

rahatlayın, o zaman her iki durumda da topların potansiyel enerjisi kinetik enerjiye dönüşecektir.

Kimyasal enerji, potansiyel enerjinin bir şeklidir. Moleküllerin farklı kısımları birbirini çektiği veya ittiği için vardır. Bir nesne ne kadar fazla potansiyel enerjiye sahipse, o kadar az kararlıdır. . Reaksiyonlarda, kimyasal enerji ısı enerjisi şeklinde serbest bırakılabilir.

Bir moleküldeki mutlak enerji içeriğini belirlemek pratik olarak imkansızdır. Ve bu yüzden sadece hakkında bağıl potansiyel enerji Moleküllerin nispi potansiyel enerjisini nispi entalpi şeklinde temsil etmek uygundur.Reaksiyonlar sırasında reaktanların ve ürünlerin nispi entalpilerindeki fark DH° ile gösterilir. Ekzotermik reaksiyonlar için DH° negatif bir değere sahiptir ve endotermik reaksiyonlar için pozitif bir değere sahiptir. Atomlardan bir hidrojen molekülü oluştuğunda ısı açığa çıkar ve bir hidrojen molekülü atomlara bölündüğünde ısı sağlanmalıdır:

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

Enerji atomlarından bir klor molekülü oluşturulduğunda, bir hidrojen molekülü oluştuğundan daha az enerji açığa çıkar:

Сl + Cl ¾® Сl¾Cl DH° = –58 kcal/mol

Cl-Cl ¾® Cl + Cl DH° = +58 kcal/mol

Tablo 3

Bağ enerjileri, kcal/mol.

Tekli, ikili ve üçlü karbon-karbon bağlarının enerjilerini karşılaştırırsak, ikili bağın enerjisinin iki katından az olduğunu ve üçlü bağın tekli C-C bağının enerjisinin üç katından az olduğunu görebiliriz. Bu nedenle, örneğin polimerizasyon sırasında çoklu bağların basit olanlara dönüşümüne enerji salınımı eşlik eder.

Bağ enerjisi (Е), kcal/mol 88 146 200

Diğer öğeler için, en sık olarak zıt model görülür. Örneğin, basitten ikili ve üçlü azot-azot bağlarına geçerken, enerjileri iki katına ve üç katına çıkar.

Bağ enerjisi (Е), kcal/mol 38 100 226

Bu nedenle, karbon için karbon zincirlerinin oluşumu ve azot için iki atomlu moleküller faydalıdır. Azot-azot zincirleri en fazla dört atomdan oluşabilir.

>> Kimya: Karbon atomunun değerlik durumları

Elektron orbitallerinin farklı enerji değerleri, farklı geometrik şekiller ve uzayda yönlenme ile karakterize edildiğini zaten biliyorsunuz. Böylece, 1s orbitalinin enerjisi daha düşüktür. Ardından daha yüksek bir enerjiye sahip olan 2s yörüngesini takip eder. Bu yörüngelerin her ikisi de bir küre şeklindedir. Doğal olarak, 2s-yörüngesi 1s-orbitalinden daha büyüktür: daha yüksek enerji, elektronlar ve çekirdek arasındaki daha büyük ortalama mesafenin bir sonucudur. Eşit enerjiye sahip üç dambıl şeklindeki 2s orbitali, koordinat eksenleri boyunca yönlendirilir. Bu nedenle, her 2p orbitalinin ekseni, diğer iki 2p orbitalinin eksenlerine diktir.

Organik bileşikleri oluşturan karbon atomları her zaman dört değerlikli olacak, 1s 2 2s 2 2p 2 elektronik konfigürasyonuna sahip olacak ve üç değerlik durumunda olabilir.

Metan CH4 molekülü örneğini kullanarak karbon atomunun ilk değerlik durumunu ele alalım.

Bir metan CH4 molekülü oluştuğunda, karbon atomu temel halden uyarılmış bir duruma geçer ve dört eşleşmemiş elektrona sahiptir: dört hidrojen atomlu dört a-bağının oluşumunda yer alan bir ve üç p-elektron. Aynı zamanda, üç hidrojen atomunun (s-p) üç "elektronu ile üç p-karbon atomunun eşleştirilmesi nedeniyle oluşan üç C-H bağının kuvvet, uzunluk bakımından dördüncü (s-s) bağından farklı olması beklenmelidir. , yön. Metan kristallerindeki elektron yoğunluğunun hesaplanması, molekülündeki tüm bağların eşdeğer olduğunu ve tetrahedronun tepesine doğru yönlendirildiğini gösterir. Bu, bir metan molekülünün oluşumu sırasında, "saf" değil, sözde hibrit, yani ortalama şekil ve büyüklükte (ve dolayısıyla enerjide) etkileşim nedeniyle kovalent bağların ortaya çıkmasıyla açıklanır. ), yörüngeler.

Yörüngelerin hibridizasyonu, onları şekil ve enerji olarak hizalama işlemidir.

Hibrit orbitallerin sayısı, orijinal orbitallerin sayısına eşittir. Onlarla karşılaştırıldığında, hibrit yörüngeler uzayda daha uzundur, bu da komşu atomların yörüngeleriyle daha eksiksiz örtüşmelerini sağlar.

Bir metan molekülünde ve diğer alkanlarda ve ayrıca tüm organik moleküllerde, tek bir bağ bölgesinde, karbon atomları sp3 hibridizasyonu durumunda olacaktır, yani bir s- ve üç p-elektronun orbitalleri karbon atomunda ve dört aynı hibrit orbitalde hibridizasyona uğramışlardır.

Bir karbon atomunun dört hibrit sp 3 orbitalinin ve dört hidrojen atomunun s orbitallerinin örtüşmesinin bir sonucu olarak, 109 ° 28 "'lik bir açıda dört özdeş a-bağıyla bir tetrahedral metan molekülü oluşur. Bir hidrojen atomu ise metan molekülünde bir CH3 grubu ile değiştirilirse, bir etan molekülü CH3-CH3 elde edilir.

Üç hidrojen atomu ve bir karbon atomu olan bir karbon atomuna birincil denir.

Etan molekülünde 0.154 nm uzunluğunda tek (bazen sıradan, sıradan olarak adlandırılır) polar olmayan karbon-karbon bağı vardır.

CH3-CH2-CH3 propan molekülünde, merkezi karbon atomunda iki hidrojen atomu ve iki karbon atomu vardır. Böyle bir atoma ikincil denir.

Bir karbon atomu üç karbon atomuna bağlıysa, üçüncül bir atomdan söz ederiz:

CH3 - CH - CH3
CH3

Dört karbon atomu içeren bir karbona kuaterner denir:

CH3
CH3 - C - CH3
CH3

Etilen C2H4 molekülü örneğini kullanarak karbon atomunun ikinci değerlik durumunu ele alalım. Hatırladığınız gibi, karbon atomları arasında, yapısal formülde birbirinin aynısı iki çizgi ile yansıtılan bir çift bağ vardır:

Bu tirelerin yansıttığı bağlar, kovalent olmalarına rağmen üst üste gelme şekillerinde farklıdır - bunlardan biri a, diğeri ise P.

Etilen molekülünde, her karbon atomu dört ile değil, diğer üç atomla (bir karbon atomu ve iki hidrojen atomu ile) bağlanır, bu nedenle sadece üç elektron orbitali hibridizasyona girer: bir in ve iki p, yani oluşur. sp 2 -hibridizasyon. Bu üç yörünge, aynı düzlemde birbirine 120°'lik bir açıyla yerleştirilmiştir. Her bir karbon atomunun yörüngeleri, iki hidrojen atomunun s-orbitalleri ve komşu karbon atomunun aynı sp2-rm6-rid yörüngesi ile örtüşür ve aynı 120°'lik açıda üç a-bağı oluşturur. Dolayısıyla etilen molekülü düzlemsel bir yapıya sahip olacaktır. Hibridizasyona katılmayan karbon atomlarının iki p-orbitali, molekül düzlemine dik iki bölgede ("yan örtüşme") üst üste gelecek ve P-bağ.

Bununla birlikte, p-orbitallerinin "yanal" örtüşmesi, bağ hattı boyunca p-orbitallerinden daha az ölçüde meydana gelir ve ayrıca, bağlayıcı atomların çekirdeklerinden daha büyük bir mesafede oluşur. Bu nedenle, I-bağı daha az güçlü olacaktır. P-bağ. Ancak etkisi altında P-bağlar, karbon atomları birbirine daha da yakındır: metan CH4 ve etan C2H6 moleküllerinde atom çekirdekleri arasındaki mesafe (bağ uzunluğu) 0.154 nm ve etilen C2H4 moleküllerinde 0.134 nm'dir.

CH=CH üçlü bağının gerçekleştiği C2H2 asetilen molekülü örneğini kullanarak karbon atomunun üçüncü değerlik durumunu ele alalım: bir a-bağ ve iki n-bağ. Asetilen molekülü doğrusal bir yapıya sahiptir, çünkü içinde her bir karbon atomu, yalnızca iki atoma - bir karbon atomu ve bir hidrojen atomu - a-bağları ile bağlanırken, sadece iki orbitalin katıldığı BP-hibridizasyonu meydana gelir - bir s ve bir s. İki hibrit yörünge birbirine göre 180°'lik bir açıyla yönlendirilir ve iki tane oluşturur. P-hidrojen atomunun s-yörüngesi ve bir tane daha ile bağlar P karşılıklı olarak dik düzlemlerde bulunan bağlar.

Üçüncü bir bağın ortaya çıkması, karbon atomlarının daha da yakınlaşmasına neden olur - asetilen molekülünde aralarındaki mesafe (C \u003d -C bağlarının uzunluğu) 0.120 nm'dir.

1. Karbon atomunun elektron orbitallerinin ne tür hibridizasyonlarını biliyorsunuz?

2. Moleküllerdeki atomların bağlanma sırası yapısal formülleri yansıtır. 1,2-bütadien molekülündeki her bir karbon atomunun yapısal formülü ise, hibritleşme tipini belirleyin.

3. Karbon atomunun ikinci enerji seviyesinin kaç orbitali n-hibridizasyonunda yer almaz; pr2 hibridizasyonunda; yar3 hibridizasyonunda?

4. Aşağıdakiler için karbon atomunun eksenleri arasındaki açılar nelerdir:

a) sp 2 hibrit orbitaller;

b) sp-melez orbitaller;

c) sp-hibrit ve hibrit olmayan p-orbitaller;

d) hibrit olmayan p-orbitaller;

e) sp 3 hibrit yörüngeler?

ders içeriği ders özeti destek çerçeve ders sunum hızlandırıcı yöntemler etkileşimli teknolojiler Uygulama görevler ve alıştırmalar kendi kendine muayene çalıştayları, eğitimler, vakalar, görevler ödev tartışma soruları öğrencilerden retorik sorular İllüstrasyonlar ses, video klipler ve multimedya fotoğraflar, resimler grafikler, tablolar, mizah şemaları, fıkralar, şakalar, çizgi roman benzetmeleri, sözler, bulmacalar, alıntılar Eklentiler özetler makaleler meraklı hile sayfaları için çipler ders kitapları temel ve ek terimler sözlüğü diğer Ders kitaplarının ve derslerin iyileştirilmesiders kitabındaki hataları düzeltme ders kitabındaki bir parçanın güncellenmesi derste yenilik unsurlarının eskimiş bilgiyi yenileriyle değiştirmesi Sadece öğretmenler için mükemmel dersler tartışma programının metodolojik önerileri yıl için takvim planı Entegre Dersler

Devam. Başlangıç ​​için bkz. № 15, 16/2004

5. Ders
karbonun atomik yörüngeleri

Aşağıdaki türden ortak bağ elektron çiftleri kullanılarak bir kovalent kimyasal bağ oluşturulur:

Kimyasal bir bağ oluşturun, yani. sadece eşleşmemiş elektronlar, başka bir atomdan "yabancı" bir elektronla ortak bir elektron çifti oluşturabilir. Elektronik formüller yazarken, yörünge hücresinde eşleşmemiş elektronlar birer birer bulunur.
atomik yörünge bir atomun çekirdeğinin etrafındaki uzayda her noktadaki elektron bulutunun yoğunluğunu tanımlayan bir fonksiyondur. Bir elektron bulutu, bir elektronun yüksek olasılıkla bulunabileceği bir uzay bölgesidir.
Karbon atomunun elektronik yapısını ve bu elementin değerliliğini uyumlu hale getirmek için karbon atomunun uyarılması kavramları kullanılır. Normal (uyarılmamış) durumda, karbon atomunun iki eşleşmemiş 2 R 2 elektron. Uyarılmış durumda (enerji emildiğinde) 2'den biri s 2 elektron serbest geçebilir R-orbital. Daha sonra karbon atomunda dört eşleşmemiş elektron belirir:

Bir atomun elektronik formülünde (örneğin, karbon 6 C - 1 için) hatırlayın. s 2 2s 2 2p 2) harflerin önündeki büyük sayılar - 1, 2 - enerji seviyesinin sayısını gösterir. Edebiyat s ve R elektron bulutunun (yörüngeler) şeklini gösterir ve harflerin üzerinde sağdaki sayılar belirli bir yörüngedeki elektronların sayısını gösterir. Herşey s- küresel yörüngeler:

2 hariç ikinci enerji seviyesinde s-üç yörünge var 2 R-orbitaller. bu 2 R-orbitaller, halterlere benzer elips şeklinde bir şekle sahiptir ve uzayda birbirine 90 ° açıyla yönlendirilir. 2 R-Yörüngeler 2'yi gösterir px, 2r y ve 2 pz bu yörüngelerin bulunduğu eksenlere göre.

Kimyasal bağlar oluştuğunda elektron orbitalleri aynı şekli alır. Doymuş hidrokarbonlarda bir s-yörünge ve üç R-bir karbon atomunun dört özdeş (hibrit) oluşturacak orbitalleri sp 3-orbitaller:

BT - sp 3 - hibridizasyon.
hibridizasyon– atomik orbitallerin hizalanması (karıştırılması) ( s ve R) adı verilen yeni atomik orbitallerin oluşumu ile hibrit yörüngeler.

Hibrit orbitaller, bağlı atoma doğru uzayan asimetrik bir şekle sahiptir. Elektron bulutları birbirini iter ve uzayda birbirlerinden mümkün olduğunca uzakta bulunurlar. Aynı zamanda dört eksen sp 3-hibrit yörüngeler tetrahedronun (düzenli üçgen piramit) köşelerine yönlendirildiği ortaya çıktı.
Buna göre, bu yörüngeler arasındaki açılar tetrahedraldir ve 109°28"e eşittir.
Elektron orbitallerinin tepeleri, diğer atomların orbitalleri ile örtüşebilir. Elektron bulutları atomların merkezlerini birbirine bağlayan bir çizgi boyunca örtüşüyorsa, böyle bir kovalent bağa denir. sigma()-bağ. Örneğin, bir C2H6 etan molekülünde, iki hibrit orbitalin üst üste binmesiyle iki karbon atomu arasında kimyasal bir bağ oluşur. Bu bir bağlantı. Ayrıca karbon atomlarının her biri üç sp 3-orbital ile örtüşen s-üç hidrojen atomunun yörüngeleri, üç bağ oluşturur.

Toplamda, bir karbon atomu için farklı hibridizasyon türlerine sahip üç değerlik durumu mümkündür. Hariç sp 3-hibridizasyon var sp 2 - ve sp-hibridizasyon.
sp 2 -hibridizasyon- birini karıştırmak s- ve iki R-orbitaller. Sonuç olarak, üç hibrit sp 2-yörüngeler. Bunlar sp 2 -orbital aynı düzlemde bulunur (eksenlerle X, de) ve yörüngeleri arasında 120°'lik bir açıyla üçgenin köşelerine yönlendirilir. melezleşmemiş
R-orbital, üç hibritin düzlemine diktir sp 2 yörünge (eksen boyunca yönlendirilmiş z). Üst yarı R-yörüngeler düzlemin üstünde, alt yarısı düzlemin altındadır.
Bir çeşit sp Karbonun 2-hibridizasyonu, çift bağa sahip bileşiklerde meydana gelir: C=C, C=O, C=N. Ayrıca iki atom arasındaki bağlardan sadece biri (örneğin C=C) bağ olabilir. (Atomun diğer bağ orbitalleri zıt yönlerdedir.) İkinci bağ, hibrit olmayanların üst üste binmesi sonucu oluşur. R- atom çekirdeklerini birbirine bağlayan çizginin her iki tarafında bulunan orbitaller.

Yanal örtüşme ile oluşan kovalent bağ R- komşu karbon atomlarının yörüngelerine denir pi()-bağ.

Eğitim - iletişim

Yörüngelerin daha az örtüşmesi nedeniyle, -bağ -bağından daha az güçlüdür.
sp-hibridizasyon birinin karışımıdır (biçim ve enerjide hizalanma). s- ve bir
R-iki melez oluşumu ile orbitaller sp-orbitaller. sp- Yörüngeler aynı çizgi üzerinde (180 ° açıyla) bulunur ve karbon atomunun çekirdeğinden zıt yönlerde yönlendirilir. İki
R-orbitaller hibritleşmemiş halde kalır. Birbirlerine dik olarak yerleştirilirler.
yönler - bağlantılar. resimde sp-yörüngeler eksen boyunca gösterilir y ve melezlenmemiş iki
R-yörüngeler - eksenler boyunca X ve z.

Üçlü karbon-karbon bağı CC, üst üste bindiğinde oluşan bir bağdan oluşur.
sp-hibrit orbitaller ve iki -bağ.
Karbon atomunun bağlı grup sayısı, hibridizasyon türü ve oluşan kimyasal bağ türleri gibi parametreleri arasındaki ilişki Tablo 4'te gösterilmektedir.

Tablo 4

Karbonun kovalent bağları

Grup sayısı ilişkili karbon ile	Bir çeşit hibridizasyon	Türler katılan Kimyasal bağlar	Bileşik formül örnekleri
4	sp 3	Dört - bağlantılar
3	sp 2	Üç - bağlantılar ve biri bağlantı
2	sp	İki - bağlantılar ve iki bağlantı	H-CC-H

Egzersizler.

1. Hangi atom elektronlarına (örneğin, karbon veya azot) eşleşmemiş denir?

2. Kovalent bağa sahip bileşiklerde "paylaşılan elektron çiftleri" kavramı ne anlama gelir (örneğin, CH 4 veya H2S )?

3. Atomların elektronik durumları nelerdir (örneğin, C veya N ) temel denir ve hangileri heyecanlıdır?

4. Bir atomun elektronik formülündeki sayılar ve harfler ne anlama gelir (örneğin, C) veya N )?

5. atomik yörünge nedir? Bir C atomunun ikinci enerji seviyesinde kaç tane orbital vardır? ve nasıl farklılık gösterirler?

6. Hibrit orbitaller ile oluştukları orijinal orbitaller arasındaki fark nedir?

7. Karbon atomu için ne tür hibridizasyon bilinmektedir ve bunlar nelerdir?

8. Karbon atomunun elektronik durumlarından biri için yörüngelerin uzaysal düzeninin bir resmini çizin.

9. Kimyasal bağlara ne denir Ve ne? Belirtin-ve-bağlantılarda bağlantılar:

10. Aşağıdaki bileşiklerin karbon atomları için şunları belirtin: a) hibridizasyon tipi; b) kimyasal bağlarının türleri; c) bağ açıları.

1. konu için alıştırmaların cevapları

5. Ders

1. Yörünge başına bir olan elektronlara denir eşleşmemiş elektronlar. Örneğin, uyarılmış bir karbon atomunun elektron kırınım formülünde, eşlenmemiş dört elektron vardır ve nitrojen atomunun üç tane vardır:

2. Bir kimyasal bağın oluşumuna katılan iki elektrona denir. ortak elektron çifti. Genellikle, bir kimyasal bağın oluşumundan önce, bu çiftin elektronlarından biri bir atoma, diğer elektron ise başka bir atoma aitti:

3. Elektronik yörüngelerin doldurulma sırasının gözlemlendiği atomun elektronik durumu: 1 s 2 , 2s 2 , 2p 2 , 3s 2 , 3p 2 , 4s 2 , 3d 2 , 4p 2 vb denir ana durum. AT heyecanlı durum atomun değerlik elektronlarından biri daha yüksek enerjili bir serbest yörüngeyi işgal eder, böyle bir geçişe çift elektronların ayrılması eşlik eder. Şematik olarak şöyle yazılmıştır:

Temel durumda sadece iki değerlik eşleşmemiş elektron varken, uyarılmış durumda bu tür dört elektron vardır.

5. Bir atomik orbital, belirli bir atomun çekirdeğinin etrafındaki uzayda her noktadaki bir elektron bulutunun yoğunluğunu tanımlayan bir fonksiyondur. Karbon atomunun ikinci enerji seviyesinde dört yörünge vardır - 2 s, 2px, 2r y, 2pz. Bu yörüngeler:
a) elektron bulutunun şekli ( s- top, R- halter);
b) R-yörüngeler uzayda farklı yönlere sahiptir - karşılıklı olarak dik eksenler boyunca x, y ve z, onlar belirtilir px, r y, pz.

6. Hibrit orbitaller, şekil ve enerji bakımından orijinal (hibrit olmayan) orbitallerden farklıdır. Örneğin, s-orbital - bir küre şekli, R- simetrik sekiz rakamı, sp-hibrit yörünge - asimetrik sekiz rakamı.
Enerji Farkları: E(s) < E(sp) < E(R). Böylece, sp-orbital - ilk karıştırılarak elde edilen, şekil ve enerji açısından ortalama bir yörünge s- ve p-orbitaller.

7. Karbon atomu için üç tip hibridizasyon bilinmektedir: sp 3 , sp 2 ve sp (5. dersin metnine bakın).

9. -bağ - atom merkezlerini birbirine bağlayan bir çizgi boyunca orbitallerin önden üst üste binmesiyle oluşan bir kovalent bağ.
-bağ - yanal örtüşme ile oluşan bir kovalent bağ R- atom merkezlerini birleştiren çizginin her iki tarafında bulunan orbitaller.
- Bağlar, bağlı atomlar arasındaki ikinci ve üçüncü çizgilerle gösterilir.

Homonükleer moleküller durumunda, aynı enerjiye sahip orbitallerin en güçlü şekilde etkileşime girdiği kuralı kullanarak $AO$ kombinasyonunu gerçekleştirdik. $AB$ tipi heteronükleer moleküllerde, $A$ ve $B$ atomlarının enerji seviyeleri aynı değildir, bu nedenle hangi orbitallerin birleştirileceğini kesin olarak belirtmek zordur. $LiH$ durumu için bu, Şekil 2'de gösterilmektedir. bir.

Şekil 1. $AO$, $Li$ ve $H$ enerji seviyeleri

Bir merkezi atom $A$, iki veya daha fazla terminal $B$ atomu içeren $B_n$ genel moleküler formülüne sahip çok atomlu kimyasal parçacıklar (moleküller, radikaller, iyonlar) ve sonuç olarak sadece $A-B \sigma $ bağları sunulmaktadır.

$AB_n$ parçacıklarının geometrik şekli, değerlik bağları yönteminden, yani merkezi atom $A$'ın değerlik hibrit orbitallerinin eksenlerinin stereokimyasal düzenlemesinden ve dolayısıyla $\sigma $-bağları $'dan türetilmiştir. A-B$.

Hibrit orbitaller, moleküllerin uzamsal yapısını anlamaya yardımcı olur, örneğin su molekülünün neden açısal bir konfigürasyona sahip olduğunu, amonyağın piramidal bir konfigürasyona sahip olduğunu ve metanın neden dört yüzlü bir konfigürasyona sahip olduğunu anlamaya yardımcı olur.

Hibridizasyon ile moleküllerin şekli arasındaki bağlantının ele alınması

Berilyum hidrit, $BeH_2$, doğrusal bir yapıya sahiptir. Lokalize bağlayıcı moleküler orbitallerini oluşturmak için önce, $Be$ atomunun sırasıyla iki hidrojen atomuna, $H_a$ ve $H_b$'a yönelik iki eşdeğer değerlik orbitali oluşturulur. Bu, $Be$'ın 2s-$ ve 2p$-orbitallerini hibritleştirme veya karıştırma (doğrusal bir kombinasyon oluşturarak), iki eşdeğer "$sp$-hibrit" orbital ile sonuçlanır. Bu hibrit orbitallerden biri olan $sp_a$, $H_a$ atomuna yöneliktir ve $1s_a$ orbitaliyle kuvvetli bir şekilde örtüşür. Başka bir melez orbital, $sp_b$, $H_b$ atomuna yöneliktir ve $1s_b$ orbitaliyle kuvvetli bir şekilde örtüşür. Bu mantıkla, her biri iki atom arasında lokalize olan iki eşdeğer lineer kombinasyon oluşturularak iki $BeH_2$ bağlayıcı moleküler orbital elde edilir:

Bu lokalize moleküler orbitaller Şekil 2'de gösterilmiştir. 2. $BeH_2$ için Lewis bağ yapısına uygun olarak, üzerlerinde iki lokalize bağ elektron çifti oluşturan dört değerlik elektronu bulunur. Lineer $sp$-hibrit orbitallerinin her biri, yarı $p$-karakterli ve yarı $s$-karakterlidir ve iki $sp$- orbitali, $BeH_2$ içindeki merkezi $Be$ atomunun kendisine iki hidrojen atomu bağlamasına izin verir. .

Şimdi (kütle spektrometrik deneylerinde gözlemlenen ve $B_2H_6$ molekülünün bir parçası olan) $BH_3$ molekülünü ele alalım. Bu molekülde, merkezi bor atomuna üç hidrojen atomu bağlanmıştır. Lokalize moleküler orbitaller teorisine göre, bu moleküldeki bağ, 2s$ orbitalinin ve bor atomunun iki 2p$ orbitalinin hibridizasyonu sonucu üç eşdeğer $sp^2$ hibrit orbitali oluşturmak üzere oluşur. Her hibrit yörüngenin üçte biri $s$ karakterine ve üçte ikisi $p$ karakterine sahiptir. Herhangi iki $p$-yörüngesi aynı düzlemde bulunduğundan ve $s$-orbitalinin uzaysal yönelimi olmadığı için, üç $sp^2$-hibrit yörüngesi aynı düzlemde bulunur. Bu üç $sp^2$ hibrit orbitali, üç eşdeğer lokalize bağ orbitali oluşturmak için üç hidrojen $1s$ orbitaliyle örtüşür. Bu bağ $(sp^2+1s)$-orbitallerinin her biri, Şekil 2'de şematik olarak gösterildiği gibi, $BH_3$ molekülünde bir çift elektron tarafından işgal edilmiştir. 4. Hibrit orbitaller kavramına dayanarak, $BH_3$ molekülünün düzlemsel bir trigonal yapıya sahip olması gerektiği tahmin edilebilir. $H-B-H$ bağ açısı olarak adlandırılan $H-B-H$ çekirdekler arası eksenler arasındaki açı 120$^\circ$ olmalıdır.

Şekil 2. $Be$ atomunun eşdeğer hibrit $sp$-orbitallerinin katılımıyla oluşturulan $BeH_2$ molekülünün lokalize bağları üzerindeki elektron çiftlerinin bağlanması. Her bir $sp$-orbital $Be$, hidrojen atomunun $1s$-orbitaliyle lokalize bir bağlayıcı moleküler orbital oluşturur.

Şekil 3. Yörüngelerin karşılıklı örtüşmesi. Hibrit orbitaller: a - örtüşen $s$-orbitalleri; b - $s-$ orbitallerinin örtüşmesi; c - $p-$ orbitallerinin örtüşmesi; d - $p$-karma yörünge; e - $sp^2$-karma yörüngeler; e - $sp^3$-karma yörüngeler

Şekil 4. $BH_3$'da yerelleştirilmiş tahvillerde sosyalleşen elektron çiftleri

Metan, $CH_4$, merkezi karbon atomuna bağlı dört eşdeğer hidrojen atomuna sahiptir. Dört hidrojen atomuyla birleşebilmek için karbonun tüm değerlik orbitallerini kullanması gerekir. Bir $2s-$ ve üç $2p$ yörüngesini hibritleyerek, dört eşdeğer $sp^3$ hibrit yörüngesi elde edilebilir. Her bir $sp^3$ hibrit yörüngesinde bir çeyrek $s$ karakteri ve dörtte üçü $p$ karakteri vardır. Dört $sp^3$-orbitalinin tümü düzenli bir tetrahedronun köşelerine yönlendirilir, bu nedenle $sp^3$-orbitallerine bazen tetrahedral hibritler denir. Her bir $sp^3$-hibrit orbitalinin, hidrojen atomunun $1s-$ orbitaliyle örtüşmesinin bir sonucu olarak, dört lokalize bağ orbitali oluşur. $sp^3$ ve $1s$ orbitalleri arasındaki en iyi örtüşme, Şek. 5 (alternatif köşeleri bahsedilen tetrahedronun köşelerini oluşturan bir küpü gösterir). Metan molekülünün sekiz değerlik elektronu (dört karbon atomundan ve dört hidrojen atomunun her birinden) vardır ve bunlar dört lokalize bağ orbitaline yerleştirilmelidir. Bu sekiz elektron, Şekil 2'de şematik olarak gösterilen dört eşdeğer lokalize bağ elektron çifti oluşturur. 5.

$CH_4$ molekülünün yapısı çeşitli deneysel yöntemlerle belirlendi. Elde edilen tüm veriler, $CH_4$ molekülünün tetrahedral yapısı hakkında sonuca götürür (Şekil 6), lokalize moleküler orbitaller teorisinin tahminleriyle tam uyum içinde. $H-C-H$ bağ açısı 109.5^\circ$ ve bağ uzunluğu $C-H$ 1.093 A$'dır.

Şekil 5. $CH_4$'da yerelleştirilmiş tahvillerde sosyalleşen elektron çiftleri

Şekil 6. $CH_4$'ın tetrahedral moleküler yapısı