Студопедия

Главная страница Случайная лекция

Порталы:

БиологияВойнаГеографияИнформатикаИскусствоИсторияКультураЛингвистикаМатематикаМедицинаОхрана трудаПолитикаПравоПсихологияРелигияТехникаФизикаФилософияЭкономика






Состояние валентных электронов в атоме углерода

Читайте также:
  1. VI. СОСТАВ И СТРОЕНИЕ ГРУНТОВ. ВЛИЯНИЕ ВОДЫ НА МЕХАНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ГРУНТОВ
  2. Атомы в молекуле располагаются в определенной последовательности согласно их валентности. Валентность атома углерода в органических соединениях равна четырем.
  3. Броматометрическое титрование
  4. Влияние внутренних заболеваний организма на состояние кожи
  5. Влияние музыки на физическое и эмоциональное состояние человека
  6. Влияние температуры на состояние равновесия
  7. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей
  8. ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОНОВ
  9. ВОПРОС 1. Характеристика методов определения общего содержания углерода
  10. Вопрос 2. Состояние правового регулирования деятельности ОВД при чрезвычайных обстоятельствах

Из курса неорганической химии известно, что электронная структура невозбужденного атома углерода может быть выражена формулой 1s22s22p2, т.е. во втором (внешнем) электронном слое у него два спаренных (с противоположными спинами) s- электрона и только два неспаренных p-электрона, которые могут участвовать в образовании ковалентных связей. Следовательно, углерод должен был бы проявлять валентность, равную двум, однако в большинстве своих соединений он четырехвалентен – образует четыре ковалентные связи. Это объясняется тем, что при затрате некоторой энергии происходит "расспаривание" 2s- электронов: один из них переводится на свободную орбиту подуровня 2p, и атом переходит в возбужденное состояние (2s22p2 2s12p3), или графически:

          2p             2p      
      2s             2s          
  С             C*              

нормальное состояние возбужденное состояние

Таким образом, у атома углерода, участвующего в образовании четырех ковалентных связей, во внешнем электронном слое, как было показано ранее, четыре валентных электрона. Состояние их не одинаково. Один из них (s- электрон), двигаясь вокруг ядра образует шаровое облако (рис.3), подобное облаку электрона в атоме водорода (s-состояние электрона). Облака трех

 

а б в г д

 

Рис. 3. Негибридизованные 2р(x y z) (а, б, в) и 2s орбитали (г) атома

углерода и орбитали атома углерода в состоянии sp3-гибриди-

зации (д).

 

других электронов (p- электроны) имеют форму объемных восьмерок (гантелей) с "перетяжкой" в области ядра и ориентированных в трех взаимно перпендикулярных направлениях (p- состояния электрона).

Когда углерод, проявляя валентность четыре, соединяется простыми (ординарными) связями с четырьмя другими атомами, электронная плотность облаков всех четырех валентных электронов перераспределяются. Происходит гибридизация одного s- состояния и трех p- состояний электронов. В результате во внешнем электронном слое связанного углеродного атома возникают четыре одинаковых гибридных состояния. Занимая эти состояния, валентные электроны образуют гибридные облака, имеющие вид деформированной восьмерки (Рис.3 д), большая часть которой направлена от ядра по линии связи с другим атомом.

Такое состояние валентных электронов атома углерода называют sp3- гибридизацией (первое валентное состояние углерода). Все четыре гибридных облака имеют определенную направленность в пространстве под углом 109о28' друг к другу, что соответствует о тетраэдрической направленности связей атома углерода.

Образование простой связи. Как показано ранее, простая ковалентная связь между атомами образуется парой обобщенных электронов. Образование этой пары в свете представлений квантовой механики заключается во взаимном перекрывании облаков электронов, осуществляющих связь; перекрывание происходит при сближении атомов на определенное расстояние. Между этими атомами на прямой, соединяющей их центры, возникает наибольшая электронная плотность (область максимального перекрывания облаков). К этой области повышенной плотности отрицательного заряда притягиваются положительно заряженные ядра атомов, следствием чего и является возникновение химической cвязи.



 
 

На рис. 4 представлены схемы образования некоторых связей. Простая связь между атомами водорода и углерода H-C (или H:C) является следствием перекрывания шарообразного облака электрона атома водорода и гибридного облака одного из валентных электронов атома углерода. Простая связь между двумя углеродными атомами C—C (или C:C) осуществляется вследствие перекрывания двух гибридных облаков углеродных атомов.

 

Рис. 4. Различные виды перекрывания орбиталей при образовании

s-связей: а- перекрывания 1s - орбиталей атомов водорода (Н — Н);

б- перекрывание 1s-орбитали атома водорода с гибридной орбиталью атома углерода (С—Н); в- перекрывание двух гибридных орбиталей атомов углерода (С—С).

Связи указанного типа, в которых максимальное перекрывание электронных облаков осуществляется на линии между центрами атомов, называются s-связями, а электроны, участвующие в их образовании, s - электронами. Каждая ковалентная связь характеризуется определенным расстоянием между ядрами соединенных атомов. Это расстояние называется межъядерным расстоянием, или длиной связи. Длина простой связи C—C составляет 1,54 А (0,154 нм).

Образование двойных связей. Двойная связь, например связь C=C, образована двумя обобществленными электронными парами C::C. Но состояние каждой из них не одинаково. Например, в молекуле этилена H2C=CH2 при образовании двойной связи в каждом из атомов углерода образуется лишь три гибридных состояния - в результате гибридизации s- состояния и двух p- состояний (sp2- гибридизация). В этом случае у каждого углеродного атома одно из p- состояний не участвует гибридизации и остается неизменным.

Три гибридных облака каждого из углеродных атомов этилена участвуют в образовании трех s-связей (второе валентное состояние углерода). В этилене всего пять s-связей (четыре C—H и одна С—С). Все они расположены в одной плоскости, каждая под углом 120о к соседней связи (рис. 5):

Таким образом, одна из электронных пар двойной связи между атомами углерода осуществляют обычную s-связь, вторая электронная пара образуется электронами не участвующими в гибридизации и сохранившими p-состояние. Облака этих электронов, сохранившие форму объемных восьмерок, направлены перпендикулярно к плоскости, в которой расположены s-связи молекулы этилена и перекрываются над и под этой плоскостью.

 

 
 

Рис. 5. Перекрывание двух негибридизованных 2р-обриталей в молекуле этилена: а- объемное изображение перекрывающихся негибридизованных 2р-орбиталей; б- схематическое изображение этих орбиталей на плоскости.

 

Связь, осуществляемую такой парой электронов, называют p-связью, а образующие ее электроны - p- электронами. Как показано на рис. 6 , p-связь возникает в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения s-связей. Двойная связь, являющаяся сочетанием s- и p-связей, по характеру существенно отличается от простой связи. Центры углеродных атомов в этилене находятся на расстоянии 1,34 А (0,134 нм), т.е. длина двойной связи несколько меньше, чем простой.

Локализованные и делокализованные связи

Ковалентная связь может быть локализованной и делокализованной. Локализованной называют связь, электроны которой поделены между двумя ядрами связываемых атомов. В тех случаях, когда электроны связи поделены более чем между двумя ядрами, говорят о делокализованной связи. Делокализованная связь — это ковалентная связь, молекулярная орбиталь которой охватывает более двух атомов. Система сопряжения может быть открытой или замкнутой и содержать не только атомы углерода, но и гетероатомы. Простейшим представителем к, к-сопряженных систем с углероднои цепью служит бутадиен-1,3 (рис. 2.7, а). По данным электронографии (см. МЛ) атомы углерода и водорода и, следовательно, все а-связи в его молекуле лежат в одной плоскости, образуя плоский а-скелет. Атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации. Негибридизованные -АО каждого атома углерода расположены перпендикулярно плоскости ст-скелета и параллельно друг другу, что является необходимым условием для их перекрывания. Перекрывание происходит не только между р-АО С-1 и С-2, С-3 и С-4, а также между р-АО С-2 и С-3 (рис. 2.7, б). В результате образуется охватывающая четыре атома углерода единая л-система, т. е. возникает делокализованная ковалентная связь (рис. 2.7, в). Это находит отражение в изменении длин связей в молекуле. Длина связи С-1—С-2, а также С-3—С-4 в бутадиене-1,3 несколько увеличена, а расстояние между С-2 и С-3 укорочено по сравнению с обычными двойными и одинарными связями соответственно, т. е. процесс дел окал изации электронов приводит к выравниванию длин связей. Углеводороды с большим числом сопряженных двойных связей распространены в растительном мире. К ним относятся, например, каротины, обусловливающие окраску моркови, томатов и т. п. (см. 16.1). Система сопряжения может включать и гетероатомы. Примером к, к-сопряженных систем с гетероатомом в цепи могут служить а, (3-ненасыщенные карбонильные соединения.

Ароматичность — особое свойство некоторых химических соединений, благодаря которому сопряженное кольцо ненасыщенных связей проявляет аномально высокую стабильность; большую чем та, которую можно было бы ожидать только при одном сопряжении. Ароматичность не имеет непосредственного отношения к запаху органических соединений, и является понятием, характеризующим совокупность структурных и энергетических свойств некоторых циклических молекул, содержащих систему сопряженных двойных связей. Термин «ароматичность» был предложен потому, что первые представители этого класса веществ обладали приятным запахом. К ароматическим соединениям относят обширную группу молекул и ионов разнообразного строения, которые соответствуют критериям ароматичности.

1-характерны только реакции замещения;

2-устойчивы к действию окислителей;

3-обладают термодинамической устойчивостью

 


<== предыдущая страница | следующая страница ==>
Наследственные болезни у детей | 

Дата добавления: 2014-02-26; просмотров: 261; Нарушение авторских прав


lektsiopedia.org - Лекциопедия - 2013 год. | Страница сгенерирована за: 0.003 сек.