Гибридизация электронов углерода. s- и p- связи.

При изучении природы ковалентных связей атомов углерода пришлось сделать допущение, что валентные электроны в процессе образования химических связей располагаются не на чистых s- и р-орбиталях, а на смешанных (гибридных) орбиталях. Это явление получило название гибридизации. При образовании молекулы метана

углерод тратит на образование связей один s-электрон и три р-электрона. Одна из этих связей должна быть менее прочной, т.к. перекрывание s-орбиталей углерода с s-орбиталью водорода будет меньшим, чем перекрывание р-орбитали углерода с s-орбиталью водорода. В действительности, данная структурная формула показывает, что все четыре связи Н-С в молекуле метана равноценны, т.е. четыре электрона углерода при образовании химических связей распределяются на 4-х одинаковых "гибридных" орбитах (явление sр³-гибридизации). Путем математической обработки параметров атомных орбиталей при соблюдении принципов квантовой химии были рассчитаны гибридизованные орбиты. Они имеют направленный характер и более выгодны геометрически для образования связей, так как эффективнее перекрываются с орбитами электронов других атомов и образуют более прочные связи.

sp³-гибридзация наблюдается при образовании углеродом 4-х простых связей. Наиболее устойчивое расположение гибридных орбиталей такое, когда оси электронных облаков направлены из центра тетраэдра к его вершинам, то есть располагаются под углами 109^о28^/ (тетраэдрическое строение). При этом силы отталкивания электронов наименьшие.

Область максимального перекрывания электронной плотности при образовании связей совпадает с прямой, соединяющей ядра атомов. Такие связи называются s-связями, а электроны, их образующие, - s-электронами.

При образовании двойной связи каждый атом углерода соединяется с тремя другими атомами

поэтому гибридизуются три электрона углерода – один s-электрон и 2 р-электрона (sр²-гибридизации). Наиболее симметричное расположение 3-х sp²-гибридных орбит достигается при размещении их осей в одной плоскости под углом 120^о друг к другу (плоскостно-тригональная структура). Химические связи. образующиеся при взаимодействии гибридных орбиталей друг с другом и с s-электронами водорода, относятся к s-связям.

р-орбиталь углерода, не участвующая в гибридизации, располагается перпендикулярно плоскости, на которой находятся ядра атомов. В результате бокового перекрывания негибридизованных
р-орбиталей выше и ниже плоскости s-связей образуется вторая связь между атомами углерода. Такой вид связи получил название p-связи. Электроны, ее образующие, называются p-электронами.

При образовании тройной связи атом углерода соединяется только с двумя другими атомами Н-С

С-Н. Поэтому гибридизуются только два электрона: один s-электрон и один р-электрон (sp-гибридизация). Два гибридных облака, симметрично расположенные под углом 180^о друг к другу, образуют s-связи. Оставшиеся два р-электрона располагаются под углом 90^о друг к другу и к оси s-связей. При их боковом перекрывании образуются две p-связи.

Таким образом, в органических соединениях углерод может существовать в трех состояниях: sp³, sp², sp-гибридизациях. s -электроны прочно связаны с ядром, поэтому s-связь отличается высокой прочностью и малой поляризуемостью. p –электроны слабее связаны с ядрами атомов,

p-связи отличаются малой прочностью и высокой поляризуемостью.

Основные характеристики ковалентных связей

Обуславливается различной электроотрицательностью соединя-ющихся атомов.

Величина электроотрицательности Х вычисляется как полусумма энергии сродства к электрону (энергии, выделяющейся при присоединении электрона к атому) и энергии ионизации (энергии, которая затрачивается для отрыва электрона от атома).

Электроотрицательность характеризует способность атома притягивать к себе электронное облако связи. По шкале Полинга относительная величина электроотрицатеьности уменьшается в ряду:

Если разница в электроотрицательности

1,7, то общая электронная пара целиком переходит к более электроотрицательному атому и образуется ионная связь. При разнице <1,7 образуется связь ковалентная полярная.

Область максимальной электронной плотности смещена к более электроотрицательному атому.

Если атомы имеют одинаковую электроотрицательность, и две части молекулы симметричны, то связь неполярная: СН₃-СН₃. Полярность связи может быть охарактеризована величиной дипольного момента связи, который можно рассматривать как произведение расстояния между центрами тяжести положительного и отрицательного заряда l на абсолютную величину сосредоточенного в этих центрах заряда е.

Полярность кратных связей в несколько раз выше, чем простых, т.к. p-электроны очень подвижны и смещаются сильнее, чем s-электроны. Из всех ковалентных связей наиболее полярными являются координационные.

Это способность электронного облака ковалентной связи деформироваться под действием внешних условий (полярного растворителя или реагента). Например:

Вследствие смещения электронного облака к одному из атомов у него возникает дробный отрицательный заряд, а у другого такой же по величине дробный положительный заряд. Наиболее легко поляризуются кратные связи, благодаря высокой подвижности p -электронов.

Чем меньше электроотрицательность атома, тем он слабее удерживает электроны, тем легче поляризуется связь.

поэтому йодпроизводные легче дают реакции замещения галогена, чем хлорпроизводные, хотя полярность связи

При образовании связи перекрывание атомных орбиталей идет в направлении наибольшей вытянутости орбиталей, так как при этом меньше силы отталкивания. Направленность выражается величиной валентных углов. У насыщенного атома углерода валентные углы 109^о28, при образовании двойной связи – 120^о, при образовании тройной связи - 180^о.

Длина связи может быть вычислена сложением ковалентных радиусов атомов. Ковалентный радиус меньше радиуса свободного атома, так как при образовании связи происходит "уплотнение" электронных облаков. Ковалентный радиус атома равен ½ длины его связи с другим таким же атомом. С увеличением кратности связи длина связи, а следовательно и ковалентный радиус, уменьшаются. Чем больше электронная плотность между ядрами, тем короче связь.

Теплота, которая затрачена на образование молекулы, определяется экспериментально по энергии образования молекулы, т.к. энергия образования молекулы равна сумме энергий всех связей.

Энергию образования молекулы метана можно определить по теплоте ее сгорания, разделив на 4. Получают энергию связи С-Н.

Связь между одинаковыми атомами часто бывает непрочной, особенно у атомов с высокой электроотрицательностью:

Связь С-С в отличие от них обладает исключительно высокой прочностью вследствие большей степени перекрывания гибридных орбиталей.

Прочность связи С-Н обусловлена отсутствием у водорода внутренних электронных оболочек, которые препятствовали бы приближению атомов углерода. Кроме того, атомы С и Н имеют относительно маленькие размеры, что обеспечивает большую плотность отрицательного заряда между их ядрами.

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: