Ковалентні зв’язки атома карбону

Для того, щоб зрозуміти які зв’язки утворює атом карбону, треба розглянути його електронну конфігурацію. На другому (зовнішньому) енергетичному рівні атома карбону знаходяться чотири валентних електрони 2s² і 2р². В такому стані атом карбону має 2 неспарених електрони і повинен проявляти валентність, що дорівнює двом. Прикладом сполуки, де атом карбону є формально двовалентний, може служити оксид карбону (ІІ), або чадний газ (СО). Однак спарювання лише двох валентних електронів не веде до завершення 2-го енергетичного рівня атома карбону.

Відомо, що при збудженні атома під дією тепла або випромінювання один s-електрон з 2s-підрівня переходить на 2p-підрівень, в результаті чого на зовнішньому рівні карбону з'являються 4 неспарених електрони. При такій електронній конфігурації карбон міг би утворити 4 ковалентних зв'язки і один з них, а саме той, що утворений 2s-орбіталлю буде відрізнятись від трьох інших, утворених 2p-орбіталями.

2p					hυ → 2s	2p			
2s						

Основний стан (С) Збудженний стан (С*)

2s²2p² 2s¹ 2p³

Однак відомо, що атом С в метані СН₄, утворює чотири однакових зв'язки. Цей факт був пояснений на основі такого поняття, як гібридизація атомних орбіталей (Л.Полінг, Дж.Слейтер,1934 р). Термін гібридизація означає усереднення, змішування або вирівнювання атомних орбіталей.

Відомі такі типи гібридизації атомних орбіталей карбону:

sp³-гібридизація.

При змішуванні однієї s- і трьох p-орбіталей утворюються чотири однакових sp³-гібридних орбіталі. Умовно таку гібридизацію можна подати у вигляді:

s p_z p_x p_y sp³

На кожній з чотирьох утворених sp³-гібридних орбіталей знаходиться по одному електрону, тому вони взаємно відштовхуються і намагаються так розташуватись в просторі, щоб відстань між ними була максимальною. Цій умові відповідає їх напрямленість до вершин тетраедра, центр якого співпадає з ядром атома карбону.

Валентні кути (кути між осями будь-яких двох гібридизованих орбіталей) дорівнюють 109^о28’. В sp³-гібридному стані атом карбону утворює чотири σ-зв'язки з чотирма іншими атомами. Цей тип гібридизації характериний для насичених органічних сполук (рис.1.1.).

Необхідно пам'ятати, що гібридні орбіталі мають вищу енергію, ніж s- і р-орбіталі, але за рахунок ефективнішого перекривання з іншими орбіталями, гібридні утворюють міцніші зв'язки. Отже енергія, що необхідна для переміщення електронів з атомних орбіталей на гібридні, з надлишком компенсується енергією утворення міцніших зв`язків і при цьому загальна енергія молекули зменшується.

Метан (СН₄) Етан (С₂Н₆)

.

Рис.1.1. Схема σ-зв'язків в метані та етані

sр²-гібридизація

sр²-гібридизація відбувається за рахунок усереднення однієї s та двох p-орбіталей:

Вісі утворених трьох sр²-орбіталей розміщені в одній площині і утворюють кут 120^o. Негібридизована р-орбіталь атома карбону розміщена перпендикулярно до цієї площини.

p - орбіталь

sp² - орбіталь

Стан sр²-гібридизації називається другим валентним станом . В цьому гібридному стані атом карбону утворює 3 σ і 1 -зв’язки. Це означає, що карбон в sp² – гібридному стані утворює структури типу ; ; тощо. Розглянемо будову молекули етену (Н₂С = СН₂)_. У цій молекулі кожен атом карбону витрачає по дві гібридизовані орбіталі на зв’язки з двома атомами гідрогену, а третю - на зв’язок із сусіднім атомом карбону (рис.1.2.). Всі атоми молекули, а також всі σ-зв’язки лежать в одній площині. Валентні кути складають 120 ^о. Негібридизовані р-орбіталі обох атомів карбону також перетинаються між собою, утворюючи -зв’язок. Причому площина -зв’язку перпендикулярна до площини, в якій розташовані всі атоми молекули. Таким чином, в молекулі етену між атомами карбону утворюється подвійний зв’язок, що складається з одного - та одного -зв’язків.

Рис. 1.2. Схема -зв’язків та -зв’язку в молекулі етену.

sр-гібридизація.

З однієї 2s і однієї 2р орбіталей утворюються дві sр-гібридні.

Утворенi sр-гібридні орбiталi розташовані вздовж однієї прямої і напрямлені різні боки (пiд кутом 180^о), а двi негiбридизованi р-орбiталi перпендикулярнi одна до одної і до цієї прямої.

Такий тип гiбридизацiї називається третім валентним станом i характерний для сполук з потрiйним зв`язком -С  С-, -С  N- або для сполук з кумульованими подвійними зв’язками типу алену .

Розглянумо будову молекули етину (НС  СН). Схеми - та -зв’язків в цій молекулі наведені на рис.1.3. Кожен з двох атомів карбону витрачає одну sр-гібридну орбіталь на утворення ковалентного зв’язку з атомом гідрогену, а другу – з сусіднім атомом карбону (рис.1.3 а).

а б

Рис.1.3. Схема -зв’язків (а) та -зв’язків (б) в молекулі етину

Оскільки обидві гібридні орбіталі розташовані вздовж однієї прямої, але напрямлені в різні боки, валентний кут складає 180^о. Крім гібридних sр-орбiталей кожен атом карбону має дві негібридизованих р-орбіталі. Ці орбіталі попарно перетинаються, утворюючи два -зв’язки, що лежать у двох взаємно перпентикулярних площинах (рис.1.3 б). Таким чином у цій сполуці між атомами карбону утворюється потрійний зв’язок, що складається з одного - та двох - зв’язків.

У таблицi 1.5 наведені основнi характеристики ординарного, подвійного та потрійного зв`язкiв між атомами карбону.

Таблиця 1.5.

Характеристики основних типів ковалентних зв’язків між атомами карбону

Ковалентний зв`язок	Сполука	Характеристика зв`язку
		Довжина зв`язку, нм	Валентні кути	Енергiя зв`язку, кДж/моль
sp3	CH3 – CH3	0,154	109о28’	331
>C  C< sp2 sp2	CH2  CH2	0,134	120о	592
-С  С- sp sp	СH  СH	0,120	180о	814

З табл. 1.5 видно, що зі збільшенням кратності зв’язків зростає їх енергія і зменшується довжина. Різниця між енергією зв’язків в етені та етані дозволяє оцінити енергію - зв’язку. Ця оцінка дає результат в 260 кДж/мольі свідчить про те, що - зв’язок значно слабший від -зв’язку.