Файл: МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ- Орг. химия-Часть 1.pdf

и электровалентную, или ионную. Ковалентная связь возникает при обобщении неспаренных валентных электронов с разными спинами, электровалентная – при передаче неспаренного электрона одного атома

другому с образованием ионов, которые взаимно притягиваются. А + В→ А В А + В→А++ В

Одним из вариантов ковалентной связи является координационная, когда атомы объединяют пару электронов одного из них.

Разновидностью координационной связи является связь семиполярная. В этом случае атом-донор заряжается положительно,

атом-акцептор – отрицательно:

А +В→ А+ В (А→В)

В органических соединениях встречается преимущественно ковалентная связь. Поскольку углерод четырехвалентен, для каждого органического соединения можно записать так называемую октетную формулу. В этих формулах учитываются только внешние валентные электроны как участвующие, так и не участвующие в связи.

Черточка при написании структурной формулы заменяет пару электронов (Купер). Октетными формулами мы будем пользоваться в дальнейшем. Они помогают понять строение и химизм реакций органических соединений.

10

ординарная связь

семиполярная связь

Валентное состояние атомов, как известно, определяется распределением электронов на внешних орбитах. Органическую химию интересуют, главным образом, семь низших орбит: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s.

Вероятность нахождения электрона в определенном месте пространства на s-орбитах не зависит от направления от ядра, т.е. эти орбиты шаровые.

Для электронов в р-состоянии в атоме имеются три одинаковые взаимно перпендикулярные орбиты, причем электронные облака по

11

каждому направлению имеют форму «объѐмных восьмѐрок», или «гантелей».

В соответствии с правилами квантовой механики состояния электронов на атомных орбитах для некоторых элементов можно представить следующим образом:

Судя по числу неспаренных электронов, углерод должен иметь валентность 2 , азот – 3, кислород – 2 , фтор – 1. Действительно, эти элементы проявляют соответствующие валентности.

Простая ковалентная связь между двумя атомами возникает при переходе двух электронов на общую для двух ядер орбиту. Орбиты этого типа называются молекулярными. При образовании, например, молекулы водорода атомы водорода сближаются, их электронные облака 1s-электронов перекрываются и две атомные орбиты заменяются молекулярной, которая имеет яйцевидную форму и называется-орбитой.

12

Химическая связь, образованная -орбитой, называется -связью. При перекрывании р-орбиты хлора с s-орбитой водорода также

образуется ковалентная -связь.

В изолированном атоме углерода L-оболочка имеет строение

2s22pх2py, и углерод должен проявлять валентность 2. Однако если с затратой определенного количества энергии один из 2s электронов поднять на свободную 2рz-орбиту, углеродный атом приобретет структуру 1s2 2s 2pх 2py 2рz и будет иметь 4 неспаренных электрона:

три – 2р и один – 2s.

При этом атом углерода сможет образовать 4 связи, например, с атомами водорода. Но три р-орбиты перекрываются s-орбитами водорода эффективно, а четвертая 2s-орбита из-за пространственных затруднений перекрывается неполно. В результате должны образоваться три прочные С–Н связи и одна слабая. В действительности, все четыре С–Н связи в метане (СН4) равноценны. Причина в следующем. В связанном углеродном атоме электроны распределяются не на «чистых» s- и р-орбитах, а на смешанных, гибридных (теория гибридизации Полинга). Гибридные орбиты имеют более высокую энергию, чем s- и р-орбиты, но для образования связей они выгоднее геометрически, потому что полнее перекрываются орбитами других атомов. Связи при этом получаются прочными. Таким образом, у атома углерода в метане 4 атомные орбиты 2s 2pх 2py 2рz заменяются четырьмя идентичными гибридными орбитами в sp3 валентном состоянии. Эти орбиты имеют одинаковый вид и энергию. Они направлены вдоль некоторых осей к вершинам правильного тетраэдра (тетраэдрическое строение).

13

H

H

Атом углерода в молекуле метана и других насыщенных углеводородах находится в состоянии sp3-гибридизации.

Кроме тетраэдрической sp3-гибридизации для углерода возможны также иные виды гибридизации. Например, при образовании двойных связей в ненасыщенных соединениях гибридизации подвергаются одна s- и две р-орбиты. Углерод при этом находится в sp2-гибридном состоянии. При этом оси всех трех орбит лежат в одной плоскости. Оставшаяся негибридизованной третья р-орбита располагается по оси перпендикулярно этой плоскости. Каждый атом углерода образовывает 3 -связи, одна из них связывает атомы углерода. Кроме того, на периферии молекулы боковыми поверхностями перекрываются р-орбиты углеродных атомов с параллельными осями.

14