Урок №22. Электронное строение и химические связи атома углерода

Электронная природа химических связей

в органических соединениях

1. Все органические вещества содержат углерод.

В молекулах органических веществ углерод переходит в возбуждённое состояние.

2. Органическим соединениям свойственны ковалентные связи. Ковалентная связь в молекулах характеризуется: энергией, длиной, насыщаемостью и пространственной направленностью.

а) Из курса химии 8 класса вы знаете, что ковалентная связь образуется за счёт перекрывания электронных облаков, при этом выделяется энергия, чем больше перекрывание, тем больше выделяется энергии и тем прочнее связь.

Типы перекрываний электронных облаков в порядке возрастания их прочности и энергии, выделяемой при образовании:

σ(s – s) < σ(s – p) < σ(p – p)

б) Длина связи определяется расстоянием между центрами ядер связывающихся атомов и измеряется в нанометрах (1 нм = 10^-9м). С повышением кратности связи (одинарная, двойная, тройная) длина становится меньше, а энергия выше:

(С – С) < (C = C) < (C ≡ C)

в) Под насыщаемостью связи понимают способность образовывать строго определённое количество ковалентных связей.

г) Направленность ковалентной связи определяется взаимным расположением электронных облаков, участвующих в образовании химической связи. Ковалентная связь образуется в направлении максимального перекрывания электронных орбиталей взаимодействующих атомов.

Рисунок. Атом углерода в возбуждённом состоянии (s¹p_x¹p_y¹p_z¹)

Вы уже знаете, что атом углерода содержит на внешнем уровне четыре валентных электрона:

1 электрон на s – орбитали сферической формы

3 электрона на трёх p – орбиталях в форме гантели и расположены под углом 90˚.

Таким образом можно предположить, что в молекуле метана CH₄ атом углерода не может образовать 4 одинаковых связи с четырьмя атомами водорода (1 атом водорода имеет 1 электрон на s – орбитали сферической формы). Однако экспериментально доказано, что в молекуле метана все связи С – Н равноценны и направлены к вершинам правильного тетраэдра под углом 109˚28`.

В 1931 г. американский учёный Л. Полинг доказал, что в молекуле метана в момент образования молекулы электронные облака смешиваются и образуют гибридные электронные облака, происходит процесс гибридизации.

Гибридизация – процесс смешения разных, но близких по энергии, орбиталей данного атома, с возникновением того же числа новых гибридных орбиталей, одинаковых по форме и энергии.

В зависимости от числа вступивших в гибридизацию орбиталей атом углерода может находиться в одном их трёх состояний гибридизации: sp³, sp², sp.

sp³– гибридизация: происходит смешение одной s и трёх p орбиталей. Образуются четыре одинаковые гибридные орбитали, расположенные относительно друг друга под тетраэдрическим углом 109˚28`. Образуются 4 ковалентные σ – связи.

Рисунок. Схема процесса образования σ-связей при sp³ – гибридизации

Рисунок. Строение молекулы метана СН₄ (тетраэдрическое)

sp²– гибридизация: происходит смешение одной s и двух p орбиталей. Образуются три одинаковые гибридные орбитали, они расположены относительно друг друга под углом 120˚, лежат в одной плоскости и стремятся к вершинам треугольника. Образуются 3 ковалентные σ – связи.

Оставшаяся одна негибридизованная орбиталь расположена перпендикулярно плоскости образования σ – связей и участвует в образовании π - связи.

Расстояние между атомами углерода при двойной связи С=С сокращается по сравнению с одинарной (С-С) в случае sp³– гибридизации с 0,154 нм до 0,134 нм

Рисунок. Схема процесса образования σ-связей при sp² – гибридизации

Рисунок. Строение молекулы этилена Н₂С=СН₂(плоское тригональное)

а) Схема образования σ-связей при sp² – гибридизации

б) Схема образования π-связей при sp² – гибридизации

sp – гибридизация: происходит смешение одной s и одной p орбитали. Образуются две одинаковые гибридные орбитали, они расположены относительно друг друга под углом 180˚, лежат на одной линии. Образуются 2 ковалентные σ – связи.

Оставшиеся две негибридизованные орбитали расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях и образуют две π-связи.

Расстояние между атомами углерода при тройной связи С≡С сокращается по сравнению с одинарной (С-С) в случае sp³– гибридизации с 0,154 нм до 0,12 нм

Рисунок. Схема процесса образования σ-связей при sp – гибридизации

Рисунок. Строение молекулы ацетилена НС≡СН (линейное)

а) Схема образования π-связей при sp – гибридизации

б) Схема образования σ-связей при sp – гибридизации

Направленность гибридных орбиталей в пространстве, а, следовательно, и геометрическое строение молекул зависят от типа гибридизации. На форму молекулы в пространстве влияет направленность только σ – связей.

СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ АТОМА УГЛЕРОДА

Для атома углерода в органических соединениях характерны степени окисления от -4 до +4.

Пример №1.

С^-4H₄

C^-3H₃ – C^-3H₃

C^-2H₂= C^-2H₂

C^-1H ≡ C ^–1H

Пример №2. Укажите степени окисления всех элементов в CH₃-CH₂-OH

Решение. Нахождение степеней окисления в органических соединениях имеет свою специфику. В частности, необходимо отдельно находить степени окисления для каждого атома углерода. Рассуждать можно следующим образом. Рассмотрим, например, атом углерода в составе метильной группы (СН₃–). Данный атом С соединен с 3 атомами водорода и соседним атомом углерода. По связи С-Н происходит смещение электронной плотности в сторону атома углерода (т. к. электроотрицательность углерода превосходит ЭО водорода). Если бы это смещение было полным, атом углерода приобрел бы заряд -3.

Атом С в составе группы -СН₂ОН связан с двумя атомами водорода (смещение электронной плотности в сторону С), одним атомом кислорода (смещение электронной плотности в сторону О) и одним атомом углерода (можно считать, что смещения эл. плотности в этом случае не происходит). Степень окисления углерода равна -2 +1 +0 = -1.

Ответ: С^-3H⁺¹₃C^-1H⁺¹₂O^-2H⁺¹.

Простая и кратная ковалентные связи

Способность атома углерода иметь разные степени окисления и лёгкость гибридизации позволяет атому углерода образовывать одинарные, и кратные (двойные и тройные связи) не только с другими атомами углерода, но и с атомами других элементов-органогенов:

СН₃ – СН₃ (1 σ – сигма связь С-С)

CH₂=CH₂ (1 σ – сигма связь С-С и 1 π – пи связь С-С)

CH ≡ CH (1 σ – сигма связь С-С и 2 π – пи связи С-С)