Содержание

Главная >> Химия. Углубленный уровень

Химия 10 класс. Габриелян

§4. Валентные состояния атома углерода

Вы уже знаете, что электронные орбитали характеризуются разными значениями энергии, различной геометрической формой и направленностью в пространстве. Так, 1s-орбиталь обладает более низкой энергией. Затем следует 2s-орбиталь, обладающая более высокой энергией. Обе эти орбитали имеют форму сферы. Естественно, 2s-орбиталь больше 1s-орбитали: большая энергия является следствием большего среднего расстояния между электронами и ядром. Три 2р-орбитали гантелеобразной формы с равной энергией направлены вдоль осей прямоугольной системы координат. Следовательно, ось каждой 2р-орбитали перпендикулярна осям двух других 2р-орбиталей.

Атомы углерода, входящие в состав органических соединений, могут находиться в трёх валентных состояниях.

Первое валентное состояние атома углерода рассмотрим на примере молекулы метана СН₄.

При образовании молекулы метана СН₄ атом углерода из основного состояния переходит в возбуждённое, в котором имеет четыре неспаренных электрона: один s- и три р-электрона. Эти электроны участвуют в образовании четырёх s-связей с четырьмя атомами водорода. При этом следует ожидать, что три связи С—Н, образованные за счёт спаривания трёх р-электронов атомов углерода с тремя s-электронами трёх атомов водорода (s—р), должны бы отличаться от четвёртой (s—s) связи прочностью, длиной, направлением. Расчёт электронной плотности в молекуле метана показывает, что все связи в его молекуле равноценны и направлены к вершинам тетраэдра. Это объясняется тем, что при образовании молекулы метана ковалентные связи возникают за счёт взаимодействия не «чистых», а так называемых гибридных, т. е. усреднённых по форме и размерам (а следовательно, и по энергии), орбиталей.

Число гибридных орбиталей равно числу исходных орбиталей. По сравнению с ними гибридные орбитали более вытянуты в пространстве, что обеспечивает их более полное перекрывание с орбиталями соседних атомов.

В молекуле метана и в других алканах, а также во всех органических молекулах по месту одинарной связи атомы углерода будут находиться в состоянии sр³-гибридизации, т. е. у атомов углерода гибридизации подверглись орбитали одного s- и трёх р-электронов и образовались четыре одинаковые гибридные орбитали.

В результате перекрывания четырёх гибридных sр³-орбиталей атома углерода и s-орбиталей четырёх атомов водорода образуется тетраэдрическая молекула метана с четырьмя одинаковыми а-связями, расположенными под углом 109°28' (рис. 4). Если в молекуле метана заменить один атом водорода на группу СН₃, то получится молекула этана СН₃—СН₃.

Атом углерода, при котором находятся три атома водорода и один атом углерода, называют первичным.

В молекуле этана существует одинарная (её иногда называют ординарной, обычной) неполярная углеродуглеродная связь, длина которой равна 0,154 нм.

В молекуле пропана СН₃—СН₂—СН₃ при центральном атоме углерода находятся два атома водорода и два атома углерода. Такой атом называют вторичным.

Атом углерода, связанный с тремя углеродными атомами, называется третичным.

Углерод, при котором находятся четыре соседних атома углерода, называется четвертичным.

Второе валентное состояние атома углерода рассмотрим на примере молекулы этилена С₂Н₄. В ней между атомами углерода двойная связь, которая отражается в структурной формуле двумя одинаковыми чёрточками:

Связи, отражённые этими чёрточками, ковалентные, но разные по способу перекрывания: одна из них σ, другая — π.

В молекуле этилена каждый атом углерода соединён не с четырьмя, а с тремя другими атомами (с одним атомом углерода и двумя атомами водорода), поэтому в гибридизацию вступают только три электронные орбитали: одна s и две р, т. е. происходит sр²-гибридизация. Оси трёх гибридных орбиталей располагаются в одной плоскости под углом 120° по отношению друг к другу. Орбитали каждого атома углерода перекрываются с s-орбиталями двух атомов водорода и с одной такой же sр²-гибридной орбиталью соседнего атома углерода и образуют три σ-связи под углом 120°. Следовательно, молекула этилена будет иметь плоскостное строение. Две р-орбитали атомов углерода, которые не участвуют в гибридизации, будут перекрываться в двух областях, перпендикулярных плоскости молекулы («боковое» перекрывание), и образуют π-связь (рис. 5).

Однако «боковое» перекрывание р-орбиталей происходит в меньшей степени, чем р-орбиталей по линии связи, и, кроме этого, оно образуется на большем удалении от ядер связывающихся атомов. Поэтому π-связь менее прочна, чем σ-связь. И тем не менее под воздействием π-связи атомы углерода ещё более сближаются друг с другом: в молекуле этана С₂Н₆ расстояние между ядрами атомов углерода (длина связи) составляет 0,154 нм, а в молекулах этилена С₂Н₄ — 0,133 нм.

Третье валентное состояние атома углерода рассмотрим на примере молекулы ацетилена С₂Н₂, в которой образуется тройная связь СН≡СН: одна σ-связь и две π-связи. Молекула ацетилена имеет линейное строение, так как в ней каждый атом углерода соединён σ-связями только с двумя другими атомами — атомом углерода и атомом водорода, при этом происходит sp-гибридизация, в которой участвуют лишь две орбитали — одна s и одна р. Две гибридные орбитали ориентируются друг относительно друга под углом 180° и образуют две σ-связи: с s-орбиталью атома водорода и с sp-гибридной орбиталью соседнего атома углерода. Не вступившие в ибридизацию две р-орбитали при боковом перекрывании с подобными орбиталями второго атома углерода образуют две π-связи, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 6).

Появление третьей связи обусловливает дальнейшее сближение атомов углерода — расстояние между

ядрами атомов (длина С≡С связи) в молекуле ацетилена равно 0,12 нм.

1. Какие типы гибридизации электронных облаков вы знаете?

2. Порядок соединения атомов в молекулах отражают структурные формулы. Определите тип гибридизации каждого атома углерода в молекуле бутадиена-1,2, если его структурная формула:

3. Сколько орбиталей второго энергетического уровня атома углерода не участвует в sp гибридизации; в sр²-гибридизации; в sр³-гибридизации?

4. Чему равны углы между осями орбиталей углеродного атома для:

а) sр²-гибридных орбиталей;

б) sp-гибридных орбиталей;

в) sр-гибридной и негибридной р-орбитали;

г) негибридных р-орбиталей;

д) sp³-гибридных орбиталей?

5. Попробуйте самостоятельно сформулировать правило (принцип), по которому можно определить тип гибридизации орбиталей любого атома углерода по структурной формуле вещества. После одобрения вашей формулировки учителем используйте это правило для решения конкретных задач, например при выполнении заданий 6—8.

Определите тип гибридизации орбиталей атомов углерода в веществах, имеющих формулы:

В молекуле какого вещества орбитали всех атомов углерода находятся в состоянии sр²-гибридизации:

Тип гибридизации орбиталей атомов углерода в углеводороде, имеющем формулу СН³—СН=СН—СН²—СН³, слева направо соответственно: