Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Просторова будова органічних молекул




Валентний стан і гібридизація атомних орбіталей (АО) Карбону. Карбон знаходиться у ІІ періоді періодичної таблиці елементів Д.І. Менделєєва. Його порядковий номер 6. Отже, атом Карбону має шість електронів, які розміщуються на двох електронних шарах. У так званому основному стані атома Карбону ці електрони перебувають на таких АО:

Як видно з електронної схеми, в такому стані Карбон має тільки два неспарених електрони. Тому в хімічних сполуках він мав би бути двовалентним елементом, оскільки валентність визначається кількістю неспарених електронів в атомі даного елемента. Проте в численних сполуках Карбон майже завжди чотиривалентний. У квантовій механіці чотиривалентність Карбону пояснюють припущенням, згідно з яким Карбон при утворенні хімічних зв’язків переходить у збуджений стан, тобто в такий, коли один електрон з 2s-підрівня (з затратою енергії) переходить на вакантну 2р-орбіталь. Енергія, необхідна для такого переходу, порівняно невелика. У збудженому стані електрони атома Карбону знаходяться на таких АО:

У такому стані Карбон має уже чотири неспарених електрони і його атоми можуть утворювати з іншими атомами чотири ковалентних зв’язки. З електронної будови Карбону в збудженому стані випливає, що атом Карбону повинен утворювати чотири ковалентних зв’язки за рахунок одного 2s-електрона і трьох 2p-електронів. На рисунку s-орбіталь зображують у вигляді сферичної поверхні (рис. 1,а), а p-орбіталі – у вигляді об’ємних вісімок (рис. 1,б).

p-Орбіталі атома карбону зорієнтовані в трьох взаємно перпендикулярних площинах (рис. 1б). В електронних формулах їх позначають символами рx, ру, рz. Орбіталі чотирьох неспарених електронів атома карбону відрізняються між собою (одна сферична, а три – об’ємні вісімки, гантелеподібні). Це наводить на думку, що чотири зв’язки атома карбону з чотирма іншими однаковими атомами, наприклад з атомами водню в молекулі метану (СН4), повинні бути нерівноцінними (один з них повинен відрізнятися від трьох інших), оскільки три p-орбіталі атома карбону можуть легко перекриватись з 1s-орбіталями трьох атомів гідрогену, перекриття ж 2s-орбіталі атома карбону з 1s-орбіталлю четвертого атома гідрогену не може бути досить повним у зв’язку з просторовими умовами. В результаті цього мали б утворитися три міцні карбон-гідрогенові зв’язки і один – неміцний. Згідно з квантовою теорією, така молекула утворитися не може. Ще в минулому столітті було беззаперечно доведено, що в симетрично побудованих молекулах типу СR4 наприклад у СН4, ССl4, С(СН3)4 тощо, всі чотири зв’язки атома карбону (всі його чотири валентності) рівноцінні і напрямлені до вершин правильного тетраедра. Рівноцінність зв’язків карбону в квантовій механіці (Л. Полінг, 1931 р.) пояснюють гібридизацією валентних орбіталей в його атомах у процесі переходу їх у збуджений стан і утворення ними хімічних зв’язків, тобто змішуванням цих орбіталей і вирівнюванням їх за формою.

Рис. 1. Схеми орбіталей електронів: а – орбіталь 2s-електрона: b – орбіталі 2p-електронів, які розміщені в трьох взаємно перпендикулярних напрямках (2рх, 2рy, 2pz).

Форма гібридизованих електронних орбіталей визначається тенденцією до максимального, “лобового” перекриття, що зумовлює більший виграш в енергії при утворенні s-зв’язків, тобто більшу їх міцність. Гібридизація завжди супроводиться зміною форми електронної орбіталі. При цьому гібридизована електронна орбіталь асиметрична: має більш витягнуту форму по один бік від ядра, ніж по інший. Тому хімічні зв’язки, що утворюються з участю гібридизованих орбіталей, більш міцні, ніж зв’язки з чистих негібридизованих електронних орбіталей.

sp3-Гібридизація. В результаті гібридизації одного 2s-електрона з трьома 2p-електронами карбон у молекулах органічних речовин утворює чотири рівноцінні гібридизовані орбіталі (рис. 2), які називаються s -орбіталями. Таке вирівнювання орбіталей називається sp3 -гібридизацією:

2s2px2py2pz (sp3).

При sp3-гібридизації в лінійну комбінацію з атомною 2s-орбіталлю входить три атомні 2p-орбіталі. Можна уявити, що кожну з sp3-гібридизованих орбіталей складають на 25 % 2s-орбіталь і на 75 % – 2p-орбіталь. Гібридизовані sp3-орбіталі мають форму несиметричних об’ємних вісімок, витягнутих по один бік від ядра. Така гібридизована форми орбіталей сприяє більшому перекриванню з електронними орбіталями інших атомів, ніж перекривання “чистих” негібридизованих 2s- і 2p-орбіталей.

Рис. 2. Схема утворення чотирьох sp3гібридизованих орбіталей Карбону.

Гібридизовані електронні орбіталі внаслідок відштовхування електронів розміщуються в просторі на максимальній віддалі одна від одної. Експериментально доведено, що чотири ковалентних зв’язки карбону в молекулі метану напрямлені в просторі один відносно одного під кутом 109°28’, тобто до вершин правильного тетраедра. Це означає, що осі чотирьох sp3-гібридизованих орбіталей карбону також напрямлені в просторі до вершин правильного тетраедра, тобто під кутом 109°28’ одна відносно одної (рис. 2). s р3- Гібридизацію називають також тетраедричною гібридизацією, або першим валентним станом Карбону.

Електронегативність карбону в sp3-гібридизованому стані дорівнює 2,5. Перехід атома карбону з основного стану в збуджений і sp3-гібридизація повинна здійснюватись з поглинанням 678 кДж/моль енергії. Ця енергія з надлишком компенсується енергією, яка виділяється при утворенні двох додаткових зв’язків.

sp2-Гібридизація. Якщо у карбону в молекулі органічної речовини 2s-АО гібридизується не з трьома, а з двома р-АО, наприклад, з 2px-АО і 2py то виникають три нові рівноцінні sp2-гібридизовані s-орбіталі (рис. 3). При такій гібридизації карбон знаходиться в другому (sp2) валентному стані.

Рис. 3. Схеми утворення трьох sp2-гібридизованих орбіталей Карбону.

Електронегативність карбону в sp2-гібридизованому стані 2,62. sp2-Гібридизовані орбіталі складаються на 1/3 з 2s-орбіталей і на 2/3 – з 2p-орбіталей, а їх осі симетрії розміщені в одній площині під кутом 120° одна відносно одної і напрямлені до вершин правильного трикутника. Тому sp2-орбіталі називають плоскотригональними. Третя 2p-АО не гібридизована (“чиста” 2p-АО). Вона зберігає форму об’ємної вісімки і розміщена перпендикулярно до площини, в якій лежать осі sp2-гібридизованих орбіталей. Негібридизована 2p-орбіталь при перекриванні з аналогічною 2p-орбіталлю іншого атома Карбону бере участь в утворенні подвійного карбон-карбонового (С = С) зв’язку, наприклад, в алкенах.

sp-Гібридизація. При гібридизації 2s-АО тільки з однією 2p-АО (наприклад, з 2px-АО) утворюються дві нові однакові sp-гібридизовані s-орбіталі (рис. 4), які складаються наполовину з 2s- і наполовину з 2p-орбіталей. При sp-гібридизації карбон у молекулах органічних речовин знаходиться в третьому (sp) валентному стані. Електронегативність карбону в sp-валентному стані дорівнює 2,75. sp-Гібридизовані орбіталі розміщені симетрично, їх осі співпадають, але напрямлені в протилежні боки (під кутом 180°). sp-Гібридизацію називають лінійною, або діагональною. В третьому валентному стані електронні орбіталі 2py-АО і 2pz-АО карбону не гібридизовані. Вони зберігають форму об’ємних вісімок, розміщені в просторі одна відносно одної від прямим кутом і беруть участь в утворенні потрійного зв’язку –С ≡ С–, наприклад, в ацетиленових сполуках.

Рис. 4. Схема утворення двох sp-гібридизованих орбіталей Карбону.

Виходячи з вищесказаного, можна зробити висновок, що карбон в органічних сполуках може знаходитись у трьох валентних станах, які характеризуються відповідно sp3, sp2 і sp-гібридизацією його орбіталей. Стан гібридизації атомів у молекулі даної сполуки можна визначити. Для цього підраховують кількість “груп” (атомів або груп атомів), які сполучені з тим атомом, гібридизацію якого хочуть встановити, а потім користуються таким правилом: чотири “групи” біля атома відповідає його sp3-гібридизації, три “групи” – sp2-гібридизації, дві “групи” – sр-гібридизації. Наприклад:





Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-11-09; Просмотров: 1565; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.013 сек.