Главная >> Химия 10 класс. Базовый уровень. Кузнецова

Глава 3. Особенности строения и свойств органических соединений и их классификация

Развитие теоретических представлений об электронном и пространственном строении органических соединений

В зависимости от числа вступивших в гибридизацию орбиталей атом углерода может находиться в одном из трёх состояний гибридизации: sp³, sp¹ и sp (рис. 5, 6).

1) sр³-гибридизация происходит при смешивании одной s- и трёх р-орбиталей, возбуждённого атома углерода. Возникают четыре одинаковые электронные орбитали, расположенные относительно друг друга под тетраэдрическими углами 109° 28' (рис. 5, а). Мы уже рассматривали выше sр³-гибридизацию на примере атома углерода в молекуле метана. Такое состояние гибридизации характерно для атомов углерода в насыщенных углеводородах (см. учебник химии для 9 класса).

2) sр²-гибридизация осуществляется при смешивании одной s- и двух p-орбиталей возбуждённого атома углерода. Образуются три гибридные орбитали с осями, расположенными в одной плоскости и направленными к вершинам треугольника под углом 120° (рис. 5, б). Негибридизированная орбиталь находится в перпендикулярной плоскости. Атом углерода в состоянии sp1-гибридизации имеет электронную конфигурацию 1s²(2sp²)³2p. Такой атом углерода характерен для ненасыщенных углеводородов — алкенов (например, для этилена) и соответствующих им радикалов, а также для некоторых функциональных групп (например, карбонильной, карбоксильной и др.) и неорганических соединений (ВF³, и др.).

3) sp-гибридизация происходит при смешивании одной s- и одной р-орбиталей возбуждённого атома углерода. Образуются две равноценные sp-гибридные атомные орбитали, расположенные линейно под углом 1 80° и направленные в разные стороны от ядра атома углерода (рис. 5, в). Две оставшиеся негибридизированные р-орбитали располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях. Такое состояние гибридизации характерно для соединений, имеющих тройную ковалентную связь, например в молекулах ацетилена и других алкинов, в ВеСД и др.

В гибридизированном состоянии могут находиться и атомы других элементов. Например, атом азота в ионе аммония находится в состоянии sp³-гибридизации.

Представления о гибридизации связаны и с понятием геометрии молекул, позволяющим предсказать их форму (рис. 6). Орбитали и их гибридизация — это лишь модельные представления квантовой химии, удобные для объяснения геометрии молекул.

Особое положение элемента углерода в IVA-группе периодической системы, уникальное соотношение заряда ядра и радиуса (оба имеют небольшие значения), а также равенство числа валентных электронов числу валентных орбиталей обусловливает его способность соединяться с другими атомами углерода в цепи, одинаково легко присоединять и отдавать электроны.

Представления о гибридизации можно применить к молекулам, содержащим кратные связи.

Простая и кратная ковалентные связи

Способность атома углерода проявлять разные степени окисления (от -4 до +4) в различных соединениях, (sp³-; sp²-; sp-гибридизация) позволяют атому углерода образовывать простые (одинарные) и кратные (двойные и тройные) связи не только с другими атомами углерода, но и с атомами других элементов-органогенов.

Какие углеводороды называются непредельными? Приведите примеры.

В 9 классе вы уже рассматривали строение молекул этана, этилена и ацетилена и знаете, что в соединениях с двойной и тройной связью существуют два типа ковалентных связей: σ (сигма) и π (пи).

Задание. Напишите структурные формулы этилена, этана и ацетилена. Вспомните схемы образования ковалентных связей в этих молекулах. Что представляют собой σ- и π-связи? Каковы особенности образования я-связи?

Итак, между соединёнными атомами в молекулах могут возникать одна, две и три ковалентные связи. Это особое свойство ковалентной связи называется кратностью связи.

Кратность ковалентной связи характеризуется числом общих электронных пар между соединяемыми атомами.

При образовании одной общей электронной пары между взаимодействующими атомами устанавливается простая, или одинарная, ковалентная связь, например в молекулах СН₄, С₂Н₆ и др.

При наличии у соединяемых атомов двух (Н₂С = СН₂, Н₂С = О и др.) и трёх (НС≡СН и др.) общих электронных пар между ними возникает двойная или тройная связь — кратная связь. Как вы уже знаете, углеводороды с кратными связями между атомами углерода в цепи называются непредельными или ненасыщенными. С увеличением кратности связи всегда уменьшается её длина и повышается прочность.

В образовании простой и кратной ковалентных связей есть особенности.

1. Простая ковалентная связь С—С или (например, в молекуле этана) образуется путём перекрывания двух sр³-орбиталей по линии, соединяющей центры связываемых атомов. Такая связь называется σ-связью.

Чем больше объём перекрывания атомных орбиталей взаимодействующих атомов, тем прочнее связь (рис. 7).

2. Природа образования кратных углерод-углеродных связей иная, чем одинарных.

В образовании двойной ковалентной связи С =С участвуют одна s- и две р-орбитали (это sp²-гибридизация, при которой образуются три гибридные орбитали, лежащие в одной плоскости под углом 120°). Одна р-орбиталь каждого атома углерода не участвует в гибридизации, но участвует в образовании второй углерод-углеродной связи. Негибридизированные р-орбитали располагаются перпендикулярно плоскости молекулы. Перекрываясь по обе стороны оси, негибридизированные р-орбитали образуют качественно новую ковалентную связь, менее прочную, чем σ-связь (рис. 8).

Таким образом, одна из электронных пар в связи С=С осуществляет σ-связь, вторая — ν-связь. Следовательно, двойная связь С=С представляет собой сочетание одной σ-связи и одной ν-связи.

Тройная связь С≡С образуется одной σ-связью и двумя ν-связями.

Например, в молекуле ацетилена у каждого из атомов углерода в гибридизации участвует одна s- и только одна р-орбиталь (sp-гибридизация). Облака двух других р-электронов каждого атома углерода в гибридизации участия не принимают. Сохраняя свою прежнюю конфигурацию (в виде гантели), они образуют две ν-связи. Следовательно, в молекуле ацетилена три σ-связи (одна С—С и две С—Н), направленные вдоль одной оси, и две ν-связи С=С, образованные путём их перекрывания над и под плоскостью, в которой находятся σ-связи, расположенные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 9). ν-Связи образуются негибридизированными р-электронами, сохраняющими форму объёмной восьмёрки. Кратные (т. е. двойные и тройные) связи обладают высокой реакционной способностью и при реакциях легко переходят в простые.

Основные понятия

Электронное и пространственное строение органических соединений • Представление о строении атомов • Гибридизация атомных орбиталей • Простая и кратная ковалентные связи • Пространственное строение молекул

Вопросы и задания

1. Составьте молекулярную и электронную формулу этана и этилена.

2. Составьте структурные и электронные формулы веществ, имеющих следующие углеродные цепи:

3. В чём различие между σ- и ν-связями в молекуле этилена?

4. Сравните геометрическое строение молекул аммиака и метана, ацетилена и этилена. В чём их сходство и различия?

<<< К началу параграфа