menu
person

Гибридизация атомных орбиталей углерода

Ковалентная химическая связь образуется при помощи общих связывающих электронных пар по типу:

Образовывать химическую связь, т.е. создавать общую электронную пару с «чужим» электроном от другого атома, могут только неспаренные электроны. Неспаренные электроны при записи электронных формул находятся по одному в клетке-орбитали.

Атомная орбиталь – это функция, которая описывает плотность электронного облака в каждой точке пространства вокруг ядра атома. Электронное облако – это область пространства, в которой с высокой вероятностью может быть обнаружен электрон.

Для согласования электронного строения атома углерода и валентности этого элемента пользуются представлениями о возбуждении атома углерода. В нормальном (невозбужденном) состоянии атом углерода имеет два неспаренных 2р2-электрона. В возбужденном состоянии (при поглощении энергии) один из 2s2-электронов может переходить на свободную р-орбиталь. Тогда в атоме углерода появляется четыре неспаренных электрона:

Напомним, что в электронной формуле атома (например, для углерода 6С – 1s22s22p2) большие цифры перед буквами – 1, 2 – обозначают номер энергетического уровня. Буквы s и р указывают форму электронного облака (орбитали), а цифры справа над буквами говорят о числе электронов на данной орбитали. Все s-орбитали сферические:

На втором энергетическом уровне кроме 2s-орбитали имеются три 2р-орбитали. Эти 2р-орбитали имеют эллипсоидную форму, похожую на гантели, и ориентированы в пространстве под углом 90° друг к другу. 2р-Орбитали обозначают 2рх, 2рy и 2рz в соответствии с осями, вдоль которых эти орбитали расположены.

Форма и ориентация р-электронных орбиталей

При образовании химических связей электронные орбитали приобретают одинаковую форму. Так, в предельных углеводородах смешиваются одна s-орбиталь и три р-орбитали атома углерода с образованием четырех одинаковых (гибридных) sр3-орбиталей:

Это – sр3-гибридизация. Гибридизация – выравнивание (смешивание) атомных орбиталей (s и р) с образованием новых атомных орбиталей, называемых гибридными орбиталями.

Четыре sp3-гибридные орбитали атома углерода

Гибридные орбитали имеют асимметричную форму, вытянутую в сторону присоединяемого атома. Электронные облака взаимно отталкиваются и располагаются в пространстве максимально далеко друг от друга. При этом оси четырех 3-гибридных орбиталей оказываются направленными к вершинам тетраэдра (правильной треугольной пирамиды). Соответственно углы между этими орбиталями – тетраэдрические, равные 109°28'.

Вершины электронных орбиталей могут перекрываться с орбиталями других атомов. Если электронные облака перекрываются по линии, соединяющий центры атомов, то такую ковалентную связь называют сигма (σ)-связью. Например, в молекуле этана С2Н6 химическая связь образуется между двумя атомами углерода перекрыванием двух гибридных орбиталей. Это σ - связь. Кроме того, каждый из атомов углерода своими тремя sр3-орбиталями перекрывается с s-орбиталями трех атомов водорода, образуя три σ - связи.

Схема перекрывания электронных облаков в молекуле этана

Всего для атома углерода возможны три валентных состояния с различным типом гибридизации. Кроме sр3-гибридизации существует sр2- и sр-гибридизация.

2-Гибридизация – смешивание одной s- и двух р-орбиталей. В результате образуются три гибридные sр2-орбитали. Эти sр2-орбитали расположены в одной плоскости (с осями х, у) и направлены к вершинам треугольника с углом между орбиталями 120°. Негибридизованная р-орбиталь перпендикулярна к плоскости трех гибридных sр2-орбиталей (ориентирована вдоль оси z). Верхняя половина р-орбитали находится над плоскостью, нижняя половина – под плоскостью. Тип sр2-гибридизации углерода бывает у соединений с двойной связью: С=С, С=О, С=N. Причем только одна из связей между двумя атомами (например, С=С) может быть σ-связью. (Другие связывающие орбитали атома направлены в противоположные стороны.) Вторая связь образуется в результате перекрывания негибридных р-орбиталей по обе стороны от линии, соединяющей ядра атомов.

Орбитали (три sp2 и одна p)
атома углерода в sp2-гибридизации

Ковалентная связь, образующаяся путем бокового перекрывания р-орбиталей соседних углеродных атомов, называется пи(π)-связью.

Образование (π)-связи

Из-за меньшего перекрывании орбиталей π-связь менее прочная, чем σ-связь. sр-Гибридизация – это смешивание (выравнивание по форме и энергии) одной s- и одной р-орбиталей с образованием двух гибридных sр-орбиталей. sр-Орбитали расположены на одной линии (под углом 180°) и направлены в противоположные стороны от ядра атома углерода. Две р-орбитали остаются негибридизованными. Они размещены взаимно перпендикулярно направлениям -связей. На рисунке sр-орбитали показаны вдоль оси y, а негибридизованные две р-орбитали– вдоль осей х и z. Атомные орбитали (две sp и две р) углерода в состоянии sp-гибридизации

Атомные орбитали (две sp две p) углерода
в состоянии sp-гибридизации

Тройная углерод-углеродная связь С≡С состоит из σ-связи, возникающей при перекрывании sp-гибридных орбиталей, и двух π-связей. Взаимосвязь таких параметров атома углерода, как число присоединенных групп, тип гибридизации и типы образуемых химических связей, показана в таблице 1.

Ковалентные связи углерода

Таблица 1

Число групп,
связанных
с углеродом

Тип
гибридизации

Типы
участвующих
химических связей

Примеры формул соединений

4

sp3

Четыре σ- связи

3

sp2

Три σ-связи и
одна π-связь

2

sp

Две σ-связи
и две π-связи

H–C≡C–H

 
Перейти к вопросам для самостоятельной проверки освоенного материала.
Категория: Конспекты, лекции | Добавил: Creator (08.12.2016)
Просмотров: 2074 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
avatar