Валентни състояния на въглеродния атом - Хипермаркет на знанието. Ковалентни връзки във въглеродни съединения

Продължение. Вижте началото в № 15, 16/2004

Урок 5. Хибридизация
въглеродни атомни орбитали

Ковалентна химическа връзка се образува с помощта на споделени свързващи електронни двойки като:

Образуват химическа връзка, т.е. Само несдвоени електрони могат да създадат обща електронна двойка с „чужд“ електрон от друг атом. Когато пишете електронни формули, несдвоените електрони се намират един по един в орбитална клетка.
Атомна орбиталае функция, която описва плътността на електронния облак във всяка точка от пространството около атомното ядро. Електронният облак е област от пространството, в която електрон може да бъде открит с голяма вероятност.
За хармонизиране на електронната структура на въглеродния атом и валентността на този елемент се използват концепции за възбуждането 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 се освободят Р- орбитален. Тогава във въглеродния атом се появяват четири несдвоени електрона:

Нека си припомним, че в електронната формула на атома (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 (орбитала), 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, 2p yи 2 p zв съответствие с осите, по които са разположени тези орбитали.

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

Това - 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 този случай, 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 молекулата на етана C 2 H 6 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 се образуват три хибрида sp 2 -орбитали. Тези sp 2-орбиталите 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-орбиталата 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-въглеродна хибридизация възниква 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 припокриващи се нехибридни Р-орбитали от двете страни на линията, свързваща атомните ядра.

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

Поради по-малко орбитално припокриване, -връзката е по-малко силна от -връзката.
sp-Хибридизация– това е смесване (изравняване по форма и енергия) на едно с-и едно
Р-орбитали за образуване на две хибридни sp-орбитали. sp-Орбиталите са разположени на една права (под ъгъл 180°) и са насочени в противоположни посоки от ядрото на въглеродния атом. две
Р-орбиталите остават нехибридизирани. Те са разположени взаимно перпендикулярно
посоки на връзките. 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, образувана чрез 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 въглеродни връзки

Упражнения.

1. Кои 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 електронни 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 атома? и как се различават?

6. По какво се различават хибридните орбитали от оригиналните орбитали, от които са образувани?

7. Какви видове хибридизация са известни за въглеродния атом и от какво се състоят?

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) тип хибридизация; б) видовете му химични връзки; в) ъгли на свързване.

Отговори на упражнения към тема 1

Урок 5

1. Електроните, които са разположени един по един в 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 споделена електронна двойка. Обикновено, преди да се образува химическа връзка, един от електроните в тази двойка принадлежи на един атом, а другият електрон принадлежи на друг атом:

3. Електронно състояние на атом, при което се наблюдава 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. IN 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 несдвоени валентни електрона, във възбудено състояние има четири такива електрона.

5. Атомна орбитала е функция, която описва плътността на електронния 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, 2p y, 2p z. Тези орбитали се различават:
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 обозначени p x, p y, p z.

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 чрез смесване на оригинала с- И стр-орбитали.

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

9. -връзка - ковалентна връзка, образувана от челно 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.

Органичната химия е химията на въглеродния атом. Броят на органичните съединения е десетки пъти по-голям от неорганичните, което може да се обясни само характеристики на въглеродния атом :

а) той е вътре средата на скалата на електроотрицателността и втория период, следователно за него е неизгодно да отдава собствените си и да приема чужди електрони и да придобива положителен или отрицателен заряд;

б) специална структура на електронната обвивка – няма електронни двойки и свободни орбитали (има само още един атом с подобна структура – ​​водород, вероятно затова въглеродът и водородът образуват толкова много съединения – въглеводороди).

Електронна структура на въглеродния атом

C – 1s 2 2s 2 2p 2 или 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0

В графичен вид:

Въглероден атом във възбудено състояние има следната електронна формула:

*C – 1s 2 2s 1 2p 3 или 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1

Под формата на клетки:

Форма на s- и p-орбиталите

Атомна орбитала - областта на пространството, където е най-вероятно да се намери електрон, със съответните квантови числа.

Това е триизмерна електронна "контурна карта", в която вълновата функция определя относителната вероятност за намиране на електрон в тази конкретна точка на орбитата.

Относителните размери на атомните орбитали се увеличават с нарастването на техните енергии ( главно квантово число- n), а тяхната форма и ориентация в пространството се определя от квантовите числа l и m. Електроните в орбиталите се характеризират със спиново квантово число. Всяка орбитала може да съдържа не повече от 2 електрона с противоположни спинове.

Когато образува връзки с други атоми, въглеродният атом трансформира своята електронна обвивка, така че да се образуват най-здравите връзки и следователно се освобождава възможно най-много енергия и системата придобива най-голяма стабилност.

Промяната на електронната обвивка на атом изисква енергия, която след това се компенсира чрез образуването на по-здрави връзки.

Трансформацията на електронната обвивка (хибридизация) може да бъде главно от 3 вида, в зависимост от броя на атомите, с които въглеродният атом образува връзки.

Видове хибридизация:

sp 3 – атомът образува връзки с 4 съседни атома (тетраедрична хибридизация):

Електронна формула на sp 3 – хибриден въглероден атом:

*С –1s 2 2(sp 3) 4 под формата на клетки

Ъгълът на връзката между хибридните орбитали е ~109°.

Стереохимична формула на въглероден атом:

sp 2 – Хибридизация (валентно състояние)– атомът образува връзки с 3 съседни атома (тригонална хибридизация):

Електронна формула на sp 2 – хибриден въглероден атом:

*С –1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 под формата на клетки

Ъгълът на връзката между хибридните орбитали е ~120°.

Стереохимична формула на sp 2 - хибриден въглероден атом:

sp– Хибридизация (валентно състояние) – атомът образува връзки с 2 съседни атома (линейна хибридизация):

Електронна формула на sp – хибриден въглероден атом:

*С –1s 2 2(sp) 2 2p 2 под формата на клетки

Ъгълът на връзката между хибридните орбитали е ~180°.

Стереохимична формула:

S-орбиталата участва във всички видове хибридизация, т.к има минимална енергия.

Преструктурирането на електронния облак позволява образуването на възможно най-силни връзки и минимално взаимодействие на атомите в получената молекула. При което хибридните орбитали може да не са идентични, но ъглите на свързване може да са различни, например CH2Cl2 и CCl4

2. Ковалентни връзки във въглеродните съединения

Ковалентни връзки, свойства, методи и причини за образуване - училищна програма.

Само да ви напомня:

1. Образование Комуникации между атомите може да се разглежда като резултат от припокриването на техните атомни орбитали и колкото по-ефективно е то (колкото по-голям е интегралът на припокриване), толкова по-силна е връзката.

Според изчислените данни относителната ефективност на припокриване на атомните орбитали S rel се увеличава, както следва:

Следователно използването на хибридни орбитали, като sp 3 въглеродни орбитали, за образуване на връзки с четири водородни атома води до по-здрави връзки.

2. Ковалентните връзки във въглеродните съединения се образуват по два начина:

а)Ако две атомни орбитали се припокриват по главните си оси, получената връзка се нарича - σ връзка.

Геометрия.По този начин, когато се образуват връзки с водородни атоми в метан, четири хибридни sp 3 ~ орбитали на въглеродния атом се припокриват с s-орбиталите на четири водородни атома, образувайки четири идентични силни σ връзки, разположени под ъгъл от 109°28" спрямо всяка друго (стандартен тетраедричен ъгъл) Подобна строго симетрична тетраедрична структура също възниква, например, по време на образуването на CCl 4; ако атомите, образуващи връзки с въглерода, са неравни, например в случая на CH 2 C1 2, пространствената структура ще се различава донякъде от напълно симетричен, въпреки че по същество остава тетраедричен.

σ дължина на връзкатамежду въглеродните атоми зависи от хибридизацията на атомите и намалява по време на прехода от sp 3 - хибридизация към sp. Това се обяснява с факта, че s-орбиталата е по-близо до ядрото, отколкото p-орбиталата, следователно, колкото по-голям е нейният дял в хибридната орбитала, толкова по-къса е тя и следователно толкова по-къса е образуваната връзка

B) Ако две атомни стр -орбиталите, разположени успоредно една на друга, извършват странично припокриване над и под равнината, където са разположени атомите, тогава получената връзка се нарича - π (пи) -комуникация

Странично припокриванеатомните орбитали е по-малко ефективно от припокриването по главната ос, така че π - връзките са по-малко здрави от σ - връзки. Това се проявява по-специално във факта, че енергията на двойна връзка въглерод-въглерод е по-малко от два пъти енергията на единична връзка. По този начин енергията на връзката C-C в етана е 347 kJ/mol, докато енергията на връзката C = C в етена е само 598 kJ/mol, а не ~ 700 kJ/mol.

Степен на странично припокриване на две атомни 2p орбитали , и следователно сила π -връзките са максимални, ако има два въглеродни атома и четири свързани с тях атомите са разположени строго в една равнина, т.е. ако те компланарен , тъй като само в този случай атомните 2p орбитали са точно успоредни една на друга и следователно са способни на максимално припокриване. Всяко отклонение от копланарното състояние поради въртене наоколо σ - връзката, свързваща два въглеродни атома, ще доведе до намаляване на степента на припокриване и съответно до намаляване на силата π -връзка, която по този начин помага да се поддържа плоскостта на молекулата.

Завъртанеоколо двойна връзка въглерод-въглерод не е възможно.

Разпределение π -електрони над и под равнината на молекулата означава съществуването области с отрицателен заряд, готов да взаимодейства с всякакви реагенти с дефицит на електрони.

Атомите на кислорода, азота и др. също имат различни валентни състояния (хибридизация), като техните електронни двойки могат да бъдат както в хибридни, така и в p-орбитали.

Въглеродът (C) е шестият елемент от периодичната таблица с атомно тегло 12. Елементът е неметал и има изотоп 14 C. Структурата на въглеродния атом е в основата на цялата органична химия, тъй като всички органични вещества включват въглеродни молекули .

въглероден атом

Позицията на въглерода в периодичната таблица на Менделеев:

• шести пореден номер;
• четвърта група;
• втори период.

Ориз. 1. Позиция на въглерода в периодичната таблица.

Въз основа на данните от таблицата можем да заключим, че структурата на атома на елемента въглерод включва две черупки, върху които са разположени шест електрона. Валентността на въглерода, включен в органичните вещества, е постоянна и равна на IV. Това означава, че външното електронно ниво има четири електрона, а вътрешното ниво има два.

От четирите електрона два заемат сферична 2s орбитала, а останалите два заемат 2p дъмбелна орбитала. Във възбудено състояние един електрон от 2s орбиталата отива към една от 2p орбиталите. Когато един електрон се движи от една орбитала към друга, се изразходва енергия.

Така един възбуден въглероден атом има четири несдвоени електрона. Конфигурацията му може да се изрази с формулата 2s 1 2p 3. Това прави възможно образуването на четири ковалентни връзки с други елементи. Например в молекула метан (CH4) въглеродът образува връзки с четири водородни атома - една връзка между s-орбиталите на водорода и въглерода и три връзки между p-орбиталите на въглерода и s-орбиталите на водорода.

Структурата на въглеродния атом може да бъде представена като +6C) 2) 4 или 1s 2 2s 2 2p 2.

Ориз. 2. Строеж на въглеродния атом.

Физични свойства

Въглеродът се среща естествено под формата на скали. Известни са няколко алотропни модификации на въглерода:

• графит;
• диамант;
• карабина;
• въглища;
• сажди.

Всички тези вещества се различават по структурата на своята кристална решетка. Най-твърдото вещество, диамантът, има кубична форма на въглерод. При високи температури диамантът се превръща в графит с шестоъгълна структура.

Ориз. 3. Кристални решетки на графит и диамант.

Химични свойства

Атомната структура на въглерода и способността му да свързва четири атома от друго вещество определят химичните свойства на елемента. Въглеродът реагира с метали, за да образува карбиди:

• Ca + 2C → CaC 2;
• Cr + C → CrC;
• 3Fe + C → Fe 3 C.

Също така реагира с метални оксиди:

• 2ZnO + C → 2Zn + CO 2 ;
• PbO + C → Pb + CO;
• SnO 2 + 2C → Sn + 2CO.

При високи температури въглеродът реагира с неметали, по-специално с водород, образувайки въглеводороди:

C + 2H 2 → CH 4.

С кислорода въглеродът образува въглероден диоксид и въглероден оксид:

• C + O 2 → CO 2;
• 2C + O 2 → 2СО.

Въглеродният окис също се образува при взаимодействие с водата.

Молекулярна архитектура

от "Мистерията на молекулите"

Страница 1

Теорията на валентността изигра решаваща роля в развитието на теорията на химията като цяло и на органичната химия в частност. Въз основа на теорията за валентността Кекуле приема, че въглеродният атом е четиривалентен и през 1858 г. той се опитва, въз основа на това предположение, да си представи структурата на най-простите органични молекули и радикали. През същата 1858 г. шотландският химик Арчибалд Скот Купър (1831-1892) предлага да се изобразят силите, свързващи атомите (или връзките, както обикновено се наричат) под формата на тирета. След като първата органична молекула беше „построена“, стана пределно ясно защо органичните молекули са склонни да бъдат много по-големи и по-сложни от неорганичните молекули.

Според идеите на Кекуле въглеродните атоми могат да бъдат свързани помежду си с помощта на една или повече от техните четири валентни връзки, образувайки дълги вериги - прави или разклонени. Очевидно никой друг атом не притежава тази забележителна способност в степента, в която я притежава въглеродът.

И така, като си представим, че всеки въглероден атом има четири валентни връзки и всеки водороден атом има една такава връзка, можем да изобразим трите най-прости въглеводороди (съединения, чиито молекули са образувани само от въглеродни и водородни атоми), метан CH4, етан C2H6 и пропан C3H8 , по следния начин:

Чрез увеличаване на броя на въглеродните атоми тази последователност може да бъде продължена почти безкрайно. Чрез добавяне на кислород (две валентни връзки) или азот (три валентни връзки) към въглеводородната верига, можем да си представим структурните формули на молекулите на етилов алкохол (C2H6O) и метиламин (CH5N):

Ако приемем възможността за две връзки (двойна връзка) или три връзки (тройна връзка) между съседни атоми, можем да изобразим структурните формули на съединения като етилен (C2H4), ацетилен (C2H2), метилцианид (C2H3N), ацетон (C3H6O). ) и оцетна киселина (C2H4O2):

Полезността на структурните формули беше толкова очевидна, че много органични химици ги възприеха веднага. Те обявиха за напълно остарели всички опити да се изобразят органичните молекули като структури, изградени от радикали. В резултат на това беше установено, че е необходимо да се покаже неговата атомна структура, когато се пише формулата на съединение.

Руският химик Александър Михайлович Бутлеров (1823-1886) използва тази нова система от структурни формули в своята теория за структурата на органичните съединения. През 60-те години на миналия век той показа как с помощта на структурни формули може ясно да се обяснят причините за съществуването на изомерите (виж глава 5). Например, етилов алкохол и диметилов етер имат една и съща емпирична формула C2H6O, но структурните формули на тези съединения се различават значително:

така че не е изненадващо, че промяната в подреждането на атомите води до два набора от много различни свойства. В етиловия алкохол един от шестте водородни атома е свързан с кислороден атом, докато в диметиловия етер всичките шест водородни атома са свързани с въглеродни атоми. Кислородният атом задържа водородния атом по-слабо от въглеродния атом, така че металният натрий, добавен към етилов алкохол, замества водорода (една шеста от общия брой). Натрият, добавен към диметилов етер, изобщо не измества водорода. Така при съставянето на структурни формули човек може да се ръководи от химичните реакции, а структурните формули от своя страна могат да помогнат да се разбере същността на реакциите.

Бутлеров обърна особено внимание на един вид изомерия, наречена тавтомерия (динамична изомерия), при която някои вещества винаги действат като смеси от две съединения. Ако едно от тези съединения се изолира в чиста форма, то незабавно ще се трансформира частично в друго съединение. Бутлеров показа, че тавтомерията се причинява от спонтанния преход на водороден атом от кислороден атом към съседен въглероден атом (и обратно).

За да се докаже напълно валидността на системата от структурни формули, беше необходимо да се определи структурната формула на бензена, въглеводород, съдържащ шест въглеродни атома и шест водородни атома. Не беше възможно да стане това веднага. Изглежда, че няма такава структурна формула, която, докато отговаря на изискванията за валентност, в същото време би обяснила по-голямата стабилност на съединението. Първите версии на структурните формули на бензена бяха много подобни на формулите на някои въглеводороди - много нестабилни съединения и не подобни по химични свойства на бензена.