Строение электронных подуровней атома углерода. Гибридное состояние атомных орбиталей: sp3-; sp2-; sp-гибридизации. Понятие о σ и π- связях.

Гибридизация атома углерода

Реальное расположение валентных орбиталий атома углерода не позволяет объяснить пространственное строение (геометрию) молекулы метана и валентные связи. Чтобы решить эту задачу введено понятие гибридизация атомных орбиталий, т.е. их изменение.

Гибридизация – это мысленная операция превращения обычных атомных орбиталий в новые, геометрия которых соответствует пространственному строению молекул.

sp³ – гибридизация

Гибридные орбитали направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится ядро атома углерода. На каждой (из четырех) находится по одному электрону. Эти электроны и участвуют в образовании валентных связей с атомами водорода в молекуле метана.

sp² – гибридизация sp – гибридизация

Типы связей

Важно:

- S – орбитали и гибридные орбитали атома углерода способны участвовать только в образовании σ – связей;

- незатронутые гибридизацией р – орбитали углерода образуют только π – связи;

- π – связи менее прочные, чем σ –связи.

Общие выводы по гибридизации ацеклических углеводородов:

4. Химическая связь в органических соединениях. Ковалентная простая, двойная, тройная связь. Образование связи в метане и четыреххлористом углероде. Донорно-акцепторный механизм: образование иона оксония. Семиполярная связь. Водородная связь.

Химическая связь в органических соединениях – это связь за счет электростатических сил, которые связывают атомы в молекулы, ионы и радикалы.

Ковалентная связь.

К овалентная связь - это связь, которая обеспечивается за счет перекрывания электронных облаков взаимодействующих атомов.

В пространстве между атомами возникает зона повышенной электронной плотности, притягивающая к себе положительно заряженные ядра и удерживающая атомы в молекуле.

Простая, двойная, тройная ковалентные связи

Если ковалентная связь образуется между атомами одного элемента (например, углерода), то в зависимости от количества обобщенных пар различают одинарные (простые), двойные и тройные связи.

В алканах пара электронов образуется простую (одинарную) неполярную ковалентную связь.

Атомы углерода находятся в состоянии sp³-гибридизации и связаны друг с другом одинарной σ-связью.

В алкенах две пары электронов образуется двойную неполярную ковалентную связь.

Атомы углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации и связаны друг с другом двойной, σ-π связью.

В гибридизации орбиталий атома углерода в этене участвуют две p- орбитали и одна s- орбиталь,

Одна р - орбиталь в гибридизации не участвует.

В алкинах три пары электронов образуется тройную неполярную ковалентную связь.

Атомы углерода находятся в состоянии sp-гибридизации и связаны друг с другом тройной σ-π-π связью.

В гибридизации орбиталей атомов углерода у этина участвуют одна p- орбиталь и одна s- орбиталь, образуя две sp-орбитали.

Две р - орбиталь в гибридизации не участвуют.

Образование связи в метане и четыреххлористом углероде

Метан - это простейший углеводород, бесцветный газ (в нормальных условиях) без запаха, химическая формула — CH₄. Малорастворим в воде, легче воздуха.

Для обоснования связей в метане применяется sp³ – гибридизации атома углерода, которую можно условно представить как смешение одной S и трех Р- орбитапий, а затем образование из них четырех новых.

Таким образом, в молекуле метане образуются четыре малополярные ковалентные связи С-Н.

При разрыве такой связи образуются активные свободные радикалы - незаряженные частицы, имеющие неспаренный электрон (радикальный или гомолитический разрыв связи).

Благодаря неспаренным электронам, свободные радикалы обладают высокой химической активностью.

Ч етыреххлористый углерод или тетрахлорметан – это тяжелая бесцветная жидкость с характерным запахом.

При образовании ковалентных связей в четыреххлористом углероде метане применяется sp³ – гибридизация атома углерода (как в метане), но в отличие от метана, общие электронные пары значительно смещены в сторону атомов хлора (р-орбитали), поскольку он обладает большей электротрицательностью по сравнению с углеродом, что приводит к образованию полярной ковалентной связи С :Cl.

Разрыв такой связи, происходит без разъединения электронной пары. Электронная пара (образующая ковалентную связь) не разъединяется, а целиком переходит к более электроотрицательному атому, превращая его в анион.

При этом образуются короткоживущие органические ионы – это ионный или гетеролитический разрыв связей.

Благодаря зарядам ионы обладают высокой химической активностью, образуя ионные химические связи.

Донорно-акцепторный механизм: образование иона оксония.

Ион оксония (гидроксо́ний) НзО⁺ — комплексный ион, соединение протона с молекулой воды.

Н₂О + Н⁺ = Н₃О⁺

Электроны в атоме кислорода распределены в следующем порядке: 1s² 2s² 2p⁴. Атом кислорода на внешнем уровне имеет два s и четыре p-электрона. Атом водорода имеет один электрон (1s¹).

Исходя из этого, в образовании связей H-O принимают участие два свободных p-электрона и два s-электрона от двух атомов H. То есть 2 имеющиеся связи в молекуле H₂O – ковалентные, образованные по обменному механизму.

Т ак как у атома кислорода на внешнем уровне остались еще два электрона (s-типа), он может образовать третью связь ковалентного типа по донорно-акцепторному механизму с катионом водорода, который имеет свободную орбиталь1s⁰.

При этом атом кислорода выступает в качестве донора (предоставляет электрон), а катион H⁺ (протон) - в качестве акцептора (имеет вакантную орбиталь для электронов).

Семиполярная связь

Сочетание ковалентной донорно-акцепторной и ионной связей называют семиполярной связью. Образование этой связи происходит при взаимодействии атома-донора и атома-акцептора, не имеющих зарядов.

В результате, при образовании связи, на атоме-донора возникает положительный заряд, а на атоме-акцепторе, предоставившем вакантную орбиталь, - отрицательный.

Например:

Атом кислорода в молекуле диметилового эфира (СН₃)₂О отдает один электрон для образования связи с атомом алюминия, который имеет вакантную орбиталь.

В результате на атоме атоме кислорода появляется положительный заряд, а на атоме алюминия – отрицательный.

Противоположные по знаку заряды на ковалентно-связанных атомах вызывают их дополнительное электростатическое притяжение )ионную свяэь).

Водородная связь

В современной трактовке водородная связь обеспечивается:

- за счет диполь -дипольной межмолекулярная связи (силы Ван-дер-Ваальса);

- за счет межмолекулярной донорно-акцепторной ковалентной связи.

Энергия диполь - дипольной межмолекулярной связи 10—20 кДж/моль.

Энергия донорно-акцепторной ковалентной межмолекулярной связи 20—30 кДж/моль.

Рассмотрим процесс образования водородной связи между молекулами одноатомного спирта (водородная связь обозначена линией из точек). Общая формула спирта: R-OH.

а) Образование диполь - дипольной водородной межмолекулярной связи.

Диполи образуются в гидроксильной группе ОН молекулы спирта за счет большой разности электроотрицательности кослорода (ЭО=3,5) и водорода (ЭО=2,1).

За счет большой ЭО кислород притягивает к себе валентный электрон водорода - образуется полярная ковалентная связь.

б) Образование донорно-акцепторной ковалентной водородной связи между молекулами.

Но у водорода нет электрона, его отобрал ЭО атом своей молекулы. Тогда на помощь приходит ковалентная связь по донорно-акцепторному типу, где акцептором (принимает электрон) является атом водорода одной молекулы, а донором (отдает электрон) ЭО атом кислорода другой молекулы.