Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №17/2004

РАБОЧИЕ ТЕТРАДИ

Продолжение. Начало см. в № 15, 16/2004

Урок 5. 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

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) 3-орбиталей:

Это – 3-гибридизация.
Гибридизация – выравнивание (смешивание) атомных орбиталей (s и р) с образованием новых атомных орбиталей, называемых гибридными орбиталями.

Четыре sp3-гибридные орбитали атома углерода
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()-связью. Например, в молекуле этана С2Н6 химическая связь образуется между двумя атомами углерода перекрыванием двух гибридных орбиталей. Это -связь. Кроме того, каждый из атомов углерода своими тремя 3-орбиталями перекрывается с s-орбиталями трех атомов водорода, образуя три -связи.

Схема перекрывания электронных облаков в молекуле этана

Схема перекрывания электронных облаков
в молекуле этана

Всего для атома углерода возможны три валентных состояния с различным типом гибридизации. Кроме 3-гибридизации существует 2- и -гибридизация.
2-Гибридизация – смешивание одной s- и двух р-орбиталей. В результате образуются три гибридные 2-орбитали. Эти 2-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 2-орбиталей (ориентирована вдоль оси z). Верхняя половина р-орбитали находится над плоскостью, нижняя половина – под плоскостью.
Тип 2-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 -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 р) атома углерода в sp2-гибридизации
Орбитали (три sp2 и одна р)
атома углерода в sp2-гибридизации

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

Образование (Пи)-связи

Образование
-связи

Из-за меньшего перекрывании орбиталей -связь менее прочная, чем -связь.
-Гибридизация – это смешивание (выравнивание по форме и энергии) одной s- и одной
р-орбиталей с образованием двух гибридных -орбиталей. -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 -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 и две р)
углерода в состоянии sp-гибридизации

Тройная углерод-углеродная связь СС состоит из -связи, возникающей при перекрывании
sp-гибридных орбиталей, и двух -связей.
Взаимосвязь таких параметров атома углерода, как число присоединенных групп, тип гибридизации и типы образуемых химических связей, показана в таблице 4.

Таблица 4

Ковалентные связи углерода

Число групп,
связанных
с углеродом
Тип
гибридизации
Типы
участвующих
химических связей
Примеры формул соединений
4 sp3 Четыре - связи

3 sp2 Три - связи и
одна - связь

2 sp Две - связи
и две -связи

H–CC–H

Упражнения.

1. Какие электроны атомов (например, углерода или азота) называют неспаренными?



2. Что означает понятие «общие электронные пары» в соединениях с ковалентной связью (например, СН4 или Н2S)?




3. Какие электронные состояния атомов (например, С или N) называют основными, а какие возбужденными?




4. Что означают цифры и буквы в электронной формуле атома (например, С или N)?




5. Что такое атомная орбиталь? Сколько орбиталей на втором энергетическом уровне атома С и чем они различаются?




6. В чем отличие гибридных орбиталей от исходных орбиталей, из которых они образовались?




7. Какие типы гибридизации известны для атома углерода и в чем они заключаются?



8. Нарисуйте картинку пространственного расположения орбиталей для одного из электронных состояний атома углерода.

 

9. Какие химические связи называют и какие ? Укажите - и -связи в соединениях:




10. Для атомов углерода приведенных ниже соединений укажите: а) тип гибридизации; б) типы его химических связей; в) валентные углы.




Ответы на упражнения к теме 1

Урок 5

1. Электроны, которые находятся по одному на орбитали, называют неспаренными электронами. Например, в электронографической формуле возбужденного атома углерода – четыре неспаренных электрона, а у атома азота – три:

2. Два электрона, участвующие в образовании одной химической связи, называют общей электронной парой. Обычно до образования химической связи один из электронов этой пары принадлежал одному атому, а другой электрон – другому атому:

3. Электронное состояние атома, в котором соблюдается порядок заполнения электронных орбиталей: 1s2, 2s2, 2p2, 3s2, 3p2, 4s2, 3d2, 4p2 и т.д., называют основным состоянием. В возбужденном состоянии один из валентных электронов атома занимает свободную орбиталь с более высокой энергией, такой переход сопровождается разъединением спаренных электронов. Схематически это записывают так:

Тогда как в основном состоянии было только два валентных неспаренных электрона, то в возбужденном состоянии таких электронов становится четыре.

5. Атомная орбиталь – это функция, которая описывает плотность электронного облака в каждой точке пространства вокруг ядра данного атома. На втором энергетическом уровне атома углерода четыре орбитали – 2s, 2рx, 2рy, 2рz. Эти орбитали различаются:
а) формой электронного облака (s – шар, р – гантель);
б) р-орбитали имеют разную ориентацию в пространстве – вдоль взаимно перпендикулярных осей x, y и z, их обозначают рx, рy, рz.

6. Гибридные орбитали отличаются от исходных (негибридных) орбиталей формой и энергией. Например, s-орбиталь – форма сферы, р – симметричная восьмерка, sp-гибридная орбиталь – асимметричная восьмерка.
Различия по энергии: E(s) < E() < E(р). Таким образом, sp-орбиталь – усредненная по форме и энергии орбиталь, полученная смешиванием исходных s- и p-орбиталей.

7. Для атома углерода известны три типа гибридизации: sp3, sp2 и sp (см. текст урока 5).

9. -связь – ковалентная связь, образующаяся путем лобового перекрывания орбиталей по линии, соединяющей центры атомов.
-связь – ковалентная связь, образующаяся путем бокового перекрывания р-орбиталей по обе стороны от линии, соединяющей центры атомов.
-Связи показывают второй и третьей черточкой между соединенными атомами.

10.