Гибридизация и гибридные орбитали

Химические связи и пространственная форма молекул.

СОБИРАТЕЛЬНЫЕ ТРУБОЧКИ

Все органические соединения содержат атом углерода, который может быть связан с другим атомом углерода, с водородом или с гетероатомами - кислородом, серой, азотом. Отсутствие диссоциации на ионы у большинства органических соединений заставляет предполагать, что в органических молекулах связь ковалентная. Ковалентная связь образуется либо за счёт обобществления неспаренных электронов с антипараллельными спинами, ранее принадлежавших разным атомам (обменный механизм), либо за счёт неподелённой пары электронов, которую один атом (донор) отдаёт другому атому (акцептору) на свободную орбиталь последнего

А • + ۰В А •۰В

Обменный механизм: (прямыми стрелками показаны спины электронов.)

Донорно-акцепторный механизм (• и ۰ - электроны.)

Ковалентная связь, образованная по донорно-акцепторному механизму,по своим свойствам ничем не отличается от обычной ковалентной связи.

Установлено, что химические явления связаны с процессами, происходящими в электронной оболочке атомов. С современной точки зрения, электрон представляют в виде электронного облака.

Существует четыре типа электронных облаков – s, p, d, f.

s-облако имеет форму сферы, в центре которой находится ядро.

p-облако - форму "гантели", (форму двух эллипсоидов, между которыми находится атомное ядро).

d- и f -облака имеют сложную конфигурацию, а так как в образовании связей в органических соединениях эти облака участвуют редко, мы их рассматривать не будем.

Как уже было отмечено выше, в образовании химических связей принимают участие неспаренные электроны или неподеленные пары электронов, в случае образования донорно-акцепторной связи.

Однако, довольно часто число неспаренных электронов, имеющихся у атома данного элемента, меньше числа связей, которые он образует с другими элементами. Так, у атома углерода два неспаренных электрона, а его обычная валентность равна четырём.

Чтобы согласовать электронное строение атома с его валентностью, используют представление о возбуждении атома.

Возбуждение - это переход электрона с одного подуровня на другой в пределах валентного энергетического уровня.

С 1s²2s²2p²

два неспаренных электрона в стационарном состоянии

четыре неспаренных электрона в возбуждённом состоянии

Однако эти четыре электрона неодинаковы по своему состоянию: один электрон имеет сферическую форму электронного облака (s -состояние), а три электрона - форму гантели (р -состояние). В этом случае можно было бы ожидать, что даже в самом простом соединении - в метане - связи должны быть неравноценны: одна связь должна отличаться от трёх других формой перекрывающихся орбиталей, а, следовательно, и энергией. Но экспериментально было

доказано, что все четыре связи углерода с водородом равноценны.

Чтобы согласовать теоретические представления с опытными данными, Л.Полинг ввёл представление о гибридизации атомных орбиталей как о своеобразном "смешении" шаровой и гантеливидных орбиталей. В результате такой комбинации атомных орбиталей получаются гибридные орбитали, которые имеют одинаковую форму и равный запас энергии.

Для атома углерода возможны три валентных состояния с различными типами гибридизации.

Первое валентное состояние - sp³ -гибридизация

В гибридизации участвуют одна s-орбиталь и три р-орбитали, в результате чего образуются четыре sp³ –гибридных орбитали, которые расположены в пространстве относительно друг друга под углом 109⁰28’ и направлены из центра правильного тетраэдра к его вершинам. 1s + 3p = 4 sp³ ∠ 109⁰28′

В отличие от негибридизованных s- и р- орбиталей sp³ -гибридные орбитали имеют одну большую долю («передняя доля»), которая хорошо образует связи, и малую долю («задняя доля»),которую иногда даже не рисуют, хотя она и играет небольшую роль в образовании связей в некоторых реакциях. sp³-Гибридные орбитали принимают участие в образовании только σ -связей.

σ -связь - это одинарная связь между атомами, на образование которой затрачивается одна пара электронов, и максимальное перекрывание электронных орбиталей происходит по прямой, соединяющей ядра атомов.

Рассмотрим строение σ-связей и , которые встречаются в насыщенных углеводородах.

σ -связь образована sp³ –гибридными орбиталями атома углерода, σ-связь - sp³ –орбиталью атома углерода и s-орбиталью атома водорода.

Особенности σ-связи :

1. связь прочная, Е = 83,6 ккал\моль; (348 кДж \ моль)

2. самая длинная связь l = 0,154нм;

3. связь труднополяризуемая;

4. вокруг σ-связи есть свободное вращение.

Второе валентное состояние атома углерода –sp²-гибридизация

В гибридизации участвуют одна s-орбиталь и две р-орбитали, в результате образуются три гибридных орбитали, которые лежат в одной плоскости под углом в 120⁰.

1s + 2p = 3 sp² 120⁰. sp²- гибридные орбитали отличаются от sp³-гибридных орбиталей меньшим размером задней доли.

При sp²-гибридизации у атома углерода осталась одна негибридизованная р-орбиталь, которая, ориентирована перпендикулярно плоскости гибридных орбиталей.

sp²-Орбитали участвуют в образовании σ-связи, а р-орбитали - в образовании π-связи. Эта связь образуется при перекрывании р-орбиталей, оси которых параллельны, над и под плоскостью σ-связей. π-Связь как самостоятельная связь не существует, она всегда бывает в комбинации с σ-связью и входит в состав двойных и тройных связей.

Перекрывание sp²- и р – орбиталей, приводящее к образованию связей в молекуле этилена, представлено на следующем рисунке.

Особенности двойной связи

1. Двойная связь неоднородна, она состоит из одной σ-связи и одной π -связи. В химических превращениях в первую очередь разрывается

π -связь, так как она слабее σ - связи.

2. Е связи = 146,5ккал\моль (620 кДж\моль.)

3. Двойная связь короче одинарной, l =0,135нм.

4. Связь легко поляризуема

5. При наличии двойной связи в молекуле прекращается вращение вокруг оси σ-связи; конфигурация алкена становится устойчиво плоской, что приводит к появлению цис- транс- изомеров.

Дата добавления: 2015-05-26