Содержание

Главная >> Химия. Углубленный уровень

Химия 10 класс. Габриелян

§ 3. Строение атома углерода

В настоящее время органическую химию рассматривают как химию соединений углерода, но, отдавая дань уважения истории, по-прежнему продолжают называть её органической химией. Поэтому так важно более подробно рассмотреть строение атома этого элемента, характер и пространственное направление образуемых им химических связей.

Атом углерода состоит из ядра, имеющего положительный заряд +6 (так как содержит шесть протонов), и электронной оболочки, на которой находятся шесть электронов, расположенных на двух энергетических уровнях (слоях).

Реальное строение атома углерода гораздо сложнее, чем представлено на приведённой схеме.

Дело в том, что движущийся в пространстве вокруг ядра электрон обладает одновременно свойствами и частицы (имеет массу 1/1840 от массы протона или нейтрона), и волны (способен к огибанию препятствий — дифракции, характеризуется определённой длиной волны, амплитудой и частотой колебаний и т. д.). Нельзя точно определить положение электрона в пространстве вокруг ядра. Поэтому говорят о большей или меньшей вероятности пребывания электрона в данной области пространства. Если бы мы могли сфотографировать атом и на снимке положение электрона отражалось бы в виде точки, то при наложении огромного числа таких снимков мы получили бы картину электронного облака. Чем больше плотность этого облака, тем с большей вероятностью электрон находится в этой области. Пространство вокруг ядра, в котором заключено 90% электронного облака, называется орбиталью. Это означает, что 90% времени электрон находится в этом ограниченном пространстве. В дальнейшем мы будем понимать термины «орбиталь» и «облако» как равноценные.

Атом углерода имеет два вида орбиталей: s-орбитали сферической формы и р-орбитали в форме гантели или объёмной восьмёрки (рис. 2). Эти орбитали отличаются друг от друга не только формой, но и удалённостью от ядра атома. Чем более удалена от ядра орбиталь, тем большую энергию имеет электрон на этой орбитали. Энергия электрона — важнейшая характеристика его состояния. Причём, и это очень важно, энергия электрона в атоме может принимать только определённые значения, а сам электрон может занимать орбиталь различных энергетических уровней. Эти орбитали отличаются значением энергии находящегося на них электрона.

Чтобы различать энергетические уровни, их нумеруют в порядке удаления от ядра. Ближайший к ядру — первый (1), затем второй (2) и т. д.

В атоме углерода первый уровень составляет одна s-орбиталь, на которой находятся два электрона. Второй энергетический уровень атома углерода также содержит s-орбиталь, но большего размера (запас энергии электронов на ней выше, чем у электронов s-орбитали первого уровня), а также три р-орбитали. Это гантелеобразные орбитали одинакового размера, оси которых взаимно перпендикулярны, подобно осям координат х, у и z (см. рис. 2). Каждую орбиталь могут занимать два электрона, но с противоположными значениями спинов.

Спин (от англ. to spin — вращаться) — это собственный момент импульса электрона (при введении понятия «спин» в 1925 г. предполагали, что магнитные свойства электрона как заряженной частицы вызваны его вращением вокруг собственной оси). Спин электрона проявляется лишь при взаимодействии его с другими электронами и с внешним магнитным полем. Спин может иметь только два значения: + 1/2 и —1/2»

Чтобы представить расположение электронов в атоме, надо помнить, что каждый электрон занимает энергетически наиболее выгодное положение, при котором запас его энергии будет наименьшим. Он всегда стремится занять наиболее близкое к ядру положение и попасть на орбиталь более простой формы (например, сначала на s-, а уж потом на р орбиталь). Если в пределах одного уровня имеется несколько одинаковых орбиталей, электроны размещаются вначале каждый на отдельной орбитали с одинаковыми спинами, а уж затемпопарно, но с противоположными спинами. Соответственно электронная формула атома углерода будет иметь вид 1s²2s²2p².

Очень часто строение электронных оболочек атомов отображают с помощью электронно-графических формул. В них каждая орбиталь обозначается одной клеткой; каждый электрон — стрелкой; направление стрелки символизирует направление спина.

Изобразим электронно-графические формулы атомов углерода и водорода:

Валентность химического элемента чаще всего определяется числом неспаренных электронов. Атом углерода, как видно из электронно-графической формулы, имеет два неспаренных электрона, поэтому с их участием могут образоваться две электронные пары, осуществляющие две ковалентные связи. Однако в органических соединениях углерод не двух-, а четырёхвалентен. Это можно объяснить тем, что в возбуждённом (получившем дополнительную энергию) атоме происходит распаривание 2s-электронов и переход одного из них на 2р-орбиталь.

Такой атом имеет четыре неспаренных электрона и может принимать участие в создании четырёх ковалентных связей.

Для образования ковалентной связи необходимо,чтобы орбиталь одного атома перекрывалась с орбиталью другого. При этом чем больше перекрывание, тем прочнее связь.

В молекуле водорода Н₂ образование ковалентной связи происходит за счёт перекрывания s-орбиталей (рис. 3).

Расстояние между ядрами атомов водорода, или длина связи, составляет 7,4 • 10^-2 нм, а её прочность — 435 кДж/моль.

Для сравнения: в молекуле фтора F₂ ковалентная связь образуется за счёт перекрывания двух р-орбиталей.

Длина связи фтор—фтор равна 14,2 • 10^-2 нм, а прочность (энергия) связи — 154 кДж/моль.

Линия связи — прямая, соединяющая ядра атомов. Для s-орбиталей возможен лишь единственный способ перекрывания — с образованием σ-связей.

р-Орбитали могут перекрываться с образованием σ-связей, а также могут перекрываться в двух областях, образуя ковалентную связь другого вида — за счёт «бокового» перекрывания.

Рассмотренный вид связи характерен для молекул этилена С₂Н₄, ацетилена С₂Н₂. Но об этом более подробно вы узнаете из следующего параграфа.

1. Запишите электронную формулу атома углерода. Объясните смысл каждого символа в ней. Каковы электронные формулы атомов бора, бериллия и лития? Составьте электронно-графические формулы, соответствующие атомам этих элементов.

2. Запишите электронные формулы:

а) атома натрия и катиона Na⁺;

б) атома магния и катиона Mg²⁺;

в) атома фтора и аниона F^-;

г) атома кислорода и аниона О^2-;

д) атома водорода и ионов Н⁺ и Н^-.

Составьте электронно-графические формулы этих частиц.

3. Атому какого химического элемента соответствует электронная формула 1s²2s²2p⁶?

Какие катионы и анионы имеют такую же электронную формулу? Составьте электронно-графическую формулу атома и этих ионов.

4. Сравните длины связей в молекулах водорода и фтора. Чем вызвано их различие?

5. Молекулы азота и фтора двухатомны. Сравните число и характер химических связей между атомами в них.

6. В чём сходство и различие в строении ядер изотопов углерода ¹²С и ¹³С? Каково соотношение числа атомов ¹²С и ¹³С в природной смеси изотопов? Различается ли строение электронных оболочек этих атомов?

7. Сравните электронные конфигурации и электронно-графические формулы атомов углерода, азота, кислорода и серы. В чём их сходство, в чём различие? Возможен ли переход атомов этих элементов в возбуждённое состояние? Каково в этом случае число неспаренных электронов в атоме? Охарактеризуйте валентные возможности атомов данных элементов за счёт неспаренных электронов.