-->
|
|
|
Ãëàâà 3. Îñîáåííîñòè ñòðîåíèÿ è ñâîéñòâ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé è èõ êëàññèôèêàöèÿ § 3. Ðàçâèòèå òåîðåòè÷åñêèõ ïðåäñòàâëåíèé îá ýëåêòðîííîì è ïðîñòðàíñòâåííîì ñòðîåíèè îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèéÏðè èçó÷åíèè îðãàíè÷åñêîé õèìèè âàæíî îïèðàòüñÿ íå òîëüêî íà îáùèå ôóíäàìåíòàëüíûå òåîðèè, çàêîíû è ïîíÿòèÿ õèìèè. Íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü îñîáåííîñòè ñòðîåíèÿ è ïðîÿâëåíèÿ ñâîéñòâ, èíäèâèäóàëüíîñòü êàæäîãî èçó÷àåìîãî ñîåäèíåíèÿ. Åäèíñòâî âñåîáùåãî — îñîáåííîãî — èíäèâèäóàëüíîãî, âçàèìîñâÿçü ñòðîåíèÿ è ñâîéñòâ, ãåíåòè÷åñêèå ñâÿçè îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé ðàçíûõ êëàññîâ è âèäîâ — òàêîâû ïðèíöèïû, êîòîðûõ ìû áóäåì ïðèäåðæèâàòüñÿ ïðè èçó÷åíèè îðãàíè÷åñêîé õèìèè. Äëÿ ýòîãî íàäî õîðîøî çíàòü íå òîëüêî õèìè÷åñêîå, íî òàêæå ýëåêòðîííîå è ïðîñòðàíñòâåííîå ñòðîåíèå èçó÷àåìûõ âåùåñòâ. Íà ýòîé îñíîâå âû ñìîæåòå ïðåäñêàçûâàòü, ìîäåëèðîâàòü è îáúÿñíÿòü ñâîéñòâà è õèìè÷åñêèå ðåàêöèè îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé.
À.Ì. Áóòëåðîâ íå ñ÷èòàë òåîðèþ õèìè÷åñêîãî ñòðîåíèÿ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé àáñîëþòíîé è íåèçìåííîé. Îí ïðåäñêàçûâàë å¸ äàëüíåéøåå ðàçâèòèå, êîòîðîå â íàóêå øëî â äâóõ íàïðàâëåíèÿõ. Ñíà÷àëà ðàçâèâàëîñü ó÷åíèå î ïðîñòðàíñòâåííîì ñòðîåíèè ìîëåêóë, ïîçäíåå øëî ïðåäñòàâëåíèå îá ýëåêòðîííîì ñòðîåíèè âåùåñòâ, íî åãî ìû èçëîæèì ïåðâûì, êàê áîëåå èçâåñòíîå âàì èç êóðñà. Ðàññìîòðèì ðàçâèòèå ïðåäñòàâëåíèé îá ýëåêòðîííîì ñòðîåíèè îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ. Ñîçäàíèå ýëåêòðîííîé òåîðèè ñòðîåíèÿ âåùåñòâ ñòàëî âîçìîæíûì áëàãîäàðÿ óñïåõàì ôèçèêè êîíöà XIX-XX ââ. â èçó÷åíèè ÿâëåíèÿ ðàäèîàêòèâíîñòè, ñòðîåíèÿ àòîìîâ, ïðèðîäû õèìè÷åñêîé ñâÿçè, à òàêæå â ðåçóëüòàòå ñîâåðøåíñòâîâàíèÿ ìåòîäîâ è àïïàðàòóðû èññëåäîâàíèÿ ýëåêòðîííîãî ñòðîåíèÿ àòîìîâ è âåùåñòâ. Äîñòèæåíèÿ íàóêè â ýòîé îáëàñòè ãëóáîêî ïðîíèêëè â îðãàíè÷åñêóþ õèìèþ, íàïîëíèâ òåîðèþ õèìè÷åñêîãî ñòðîåíèÿ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé êîíêðåòíûì ôèçè÷åñêèì ñìûñëîì. Èçó÷àÿ õèìèþ â îñíîâíîé øêîëå, âû óæå ïðèìåíÿëè çíàíèÿ ýëåêòðîííîé òåîðèè äëÿ îáúÿñíåíèÿ ñòðîåíèÿ è ñâîéñòâ îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ, èñïîëüçîâàëè ýëåêòðîííûå ñõåìû ñòðîåíèÿ àòîìîâ è õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé. Âñïîìíèòå, ÷òî óãëåðîä ÿâëÿåòñÿ öåíòðàëüíûì õèìè÷åñêèì ýëåìåíòîì âñåõ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, â êîòîðûõ åãî àòîìû íàõîäÿòñÿ â âîçáóæä¸ííîì ñîñòîÿíèè è ïðîÿâëÿþò âàëåíòíîñòü, ðàâíóþ IV. Çàäàíèå. Ðàññìîòðèòå ñõåìû îñíîâíîãî è âîçáóæä¸ííîãî ñîñòîÿíèÿ àòîìà óãëåðîäà (ðèñ. 2), äàéòå îáúÿñíåíèÿ ýòîìó ÿâëåíèþ, èñïîëüçóÿ çíàíèÿ ýëåêòðîííîé òåîðèè.
Áîëüøèíñòâî õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé â ìîëåêóëàõ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé ÿâëÿþòñÿ êîâàëåíòíûìè. Âû óæå çíàåòå èõ îñíîâíûå õàðàêòåðèñòèêè: ýíåðãèÿ, äëèíà, íàñûùàåìîñòü è ïðîñòðàíñòâåííàÿ íàïðàâëåííîñòü.
Ýíåðãèÿ ñâÿçè. Ïðîöåññ îáðàçîâàíèÿ êîâàëåíòíîé õèìè÷åñêîé ñâÿçè ýêçîòåðìè÷åñêèé, ñîïðîâîæäàåòñÿ âûäåëåíèåì çíà÷èòåëüíîãî êîëè÷åñòâà ýíåðãèè, ñëåäîâàòåëüíî, îáðàçîâàííûå êîâàëåíòíîé ñâÿçüþ ìîëåêóëû îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ óñòîé÷èâû, ïðî÷íû. Ýíåðãèÿ èçìåðÿåòñÿ â êèëîäæîóëÿõ íà 1 ìîëü (êÄæ/ìîëü). Ïåðåõîä àòîìà â âîçáóæä¸ííîå ñîñòîÿíèå ñîïðÿæ¸í ñ ïîãëîùåíèåì ýíåðãèè, ÷òî çàòåì ñ èçáûòêîì êîìïåíñèðóåòñÿ ïðîöåññîì îáðàçîâàíèÿ õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé àòîìîì óãëåðîäà (ðèñ. 3). Íàïðèìåð, ïðè îáðàçîâàíèè îäíîãî ìîëÿ ìåòàíà èçáûòîê ýíåðãèè ðàâåí 1662 êÄæ. ×åì áîëüøå ýíåðãèè âûäåëÿåòñÿ ïðè îáðàçîâàíèè ñâÿçè, òåì ïðî÷íåå ýòà õèìè÷åñêàÿ ñâÿçü. Ìîëåêóëÿðíûå ñîåäèíåíèÿ ïðè èçìåíåíèè óñëîâèé ëåãêî ïåðåõîäÿò èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå.  òâ¸ðäîì âèäå îíè (íàïðèìåð, ãëþêîçà) èìåþò ìîëåêóëÿðíóþ êðèñòàëëè÷åñêóþ ðåø¸òêó, â óçëàõ êîòîðîé ðàçìåùåíû ìîëåêó ëû ñ íåâûñîêîé ýíåðãèåé ñâÿçè äðóã ñ äðóãîì. Äëèíà ñâÿçè îïðåäåëÿåòñÿ ðàññòîÿíèåì ìåæäó öåíòðàìè ÿäåð ñâÿçûâàþùèõñÿ àòîìîâ è èçìåðÿåòñÿ â íàíîìåòðàõ (1 íì = 10-9 ì). Îíà çàâèñèò îò ïðèðîäû àòîìîâ è õàðàêòåðà ñâÿçè ìåæäó íèìè (îäèíàðíàÿ, äâîéíàÿ, òðîéíàÿ). Ñ ïîâûøåíèåì êðàòíîñòè ñâÿçè äëèíà óìåíüøàåòñÿ. Ïîä íàñûùàåìîñòüþ ñâÿçè ïîíèìàþò ñïîñîáíîñòü àòîìîâ óãëåðîäà îáðàçîâûâàòü ñòðîãî îïðåäåë¸ííîå ÷èñëî êîâàëåíòíûõ ñâÿçåé. Íàïðàâëåííîñòü êîâàëåíòíîé ñâÿçè îïðåäåëÿåòñÿ âçàèìíûì ðàñïîëîæåíèåì ýëåêòðîííûõ îáëàêîâ, ó÷àñòâóþùèõ â îáðàçîâàíèè ýòîé ñâÿçè. Äðóãèì íàïðàâëåíèåì ðàçâèòèÿ òåîðèè ñòðîåíèÿ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé áûëî ó÷åíèå î ïðîñòðàíñòâåííîì ñòðîåíèè èõ ìîëåêóë, åù¸ â 70-80-å ãã. XIX â. íàçâàííîå ñòåðåîõèìèåé (îò ãðå÷. stereos — «ïðîñòðàíñòâåííûé»).  ðàçâèòèè ïðîñòðàíñòâåííûõ ïðåäñòàâëåíèé áîëüøóþ ðîëü ñûãðàëè ïîíÿòèÿ: î ôîðìàõ s-, ð-, d-ýëåêòðîííûõ îðáèòàëåé è èõ ïîëîæåíèÿõ â ïðîñòðàíñòâå, î ãèáðèäèçàöèè àòîìíûõ îðáèòàëåé, î ãåîìåòðèè ìîëåêóë, îá îáðàçîâàíèè êðàòíûõ ñâÿçåé è ðàñïîëîæåíèè èõ â ïðîñòðàíñòâå. Î ôîðìàõ è ñîñòîÿíèè ðàçíûõ ýëåêòðîííûõ îðáèòàëåé â ïðîñòðàíñòâå âàì óæå íåìíîãî èçâåñòíî.
Âû òàêæå çíàêîìèëèñü ñ ãåîìåòðèåé ìîëåêóë ïðîñòåéøèõ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé (ñì. ó÷åáíèêè äëÿ 9 êëàññà). Ýòó ãåîìåòðèþ ìîëåêóë îòðàæàþò èõ îáú¸ìíûå ìîäåëè, ïîìîãàþùèå ïîíÿòü ïðîñòðàíñòâåííîå ñòðîåíèå îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ. Ðàññìîòðèì ïðîñòðàíñòâåííîå ñòðîåíèå ìåòàíà (ðèñ. 4).
Ãèáðèäèçàöèÿ àòîìíûõ îðáèòàëåéÎïèðàÿñü íà çíàíèÿ î ñòðîåíèè ìîëåêóëû ìåòàíà, ìîæíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî ÷åòûðå êîâàëåíòíûå ñâÿçè àòîìà óãëåðîäà, êîòîðûå îí îáðàçóåò ñ âîäîðîäîì â ìîëåêóëå ìåòàíà, áóäóò íåðàâíîöåííûìè: îäíà ñâÿçü îáðàçîâàíà åãî s-ýëåêòðîíîì è òðè ñâÿçè — p-ýëåêòðîíàìè. Îäíàêî ýêñïåðèìåíòàëüíî äîêàçàíî, ÷òî â äåéñòâèòåëüíîñòè âñå ñâÿçè Ñ—Í â ìåòàíå ðàâíîöåííû è íàïðàâëåíû ê âåðøèíàì ïðàâèëüíîãî òåòðàýäðà ïîä óãëîì 109° 28'. Âîçíèêàåò ïðîòèâîðå÷èå ìåæäó òåîðåòè÷åñêèìè è ýêñïåðèìåíòàëüíûìè äàííûìè, êîòîðîå áûëî óñïåøíî óñòðàíåíî èäååé î ãèáðèäèçàöèè àòîìíûõ îðáèòàëåé. Ÿ ïðåäëîæèë äâàæäû ëàóðåàò Íîáåëåâñêîé ïðåìèè Ë. Ïîëèíã â 1931 ã. äëÿ îáúÿñíåíèÿ ïðîñòðàíñòâåííîãî (ãåîìåòðè÷åñêîãî) ñòðîåíèÿ ìîëåêóë è èîíîâ ñ ó÷¸òîì íàïðàâëåííîñòè êîâàëåíòíîé ñâÿçè (ò. å. èõ ôîðìû). Îí äîêàçàë, ÷òî â ìîëåêóëàõ âåùåñòâ íåò èçîëèðîâàííûõ äðóã îò äðóãà ñâÿçåé. Ïðè îáðàçîâàíèè ñâÿçåé ýëåêòðîííûå îáëàêà ïåðåêðûâàþòñÿ, ñìåøèâàþòñÿ, è îáðàçóþòñÿ ãèáðèäíûå ýëåêòðîííûå îðáèòàëè. Òàêèì îáðàçîì Ïîëèíã ïðåäëîæèë ìîäåëüíîå îáúÿñíåíèå âûðàâíèâàíèÿ ýëåêòðîííûõ îðáèòàëåé. Îñîáåííîñòüþ ãèáðèäíûõ îðáèòàëåé ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî èõ ýëåêòðîííàÿ ïëîòíîñòü ïî îäíó ñòîðîíó ÿäðà çíà÷èòåëüíî áîëüøå, ÷åì ïî äðóãóþ. Ñëåäîâàòåëüíî, ãðóøåâèäíàÿ ôîðìà ãèáðèäíûõ îðáèòàëåé àòîìà óãëåðîäà îáåñïå÷èâàåò áîëüøóþ ñòåïåíü ïåðåêðûâàíèÿ ýëåêòðîííûõ îáëàêîâ ïðè îáðàçîâàíèè êîâàëåíòíûõ ñâÿçåé ñ äðóãèìè àòîìàìè.
|
|
|