3.2. Хімічний зв'язок в органічних сполуках

З курсу неорганічної хімії пригадайте поняття «атомна орбі-таль», типи орбіталей, властивості та принципи, за якими вони заповнюються.

Сучасна теорія хімічного зв'язку ґрунтується на квантово-ме­ханічному розгляді молекули як системи, що складається з елект­ронів та атомних ядер.

3.2.1. Гібридизація атомних орбіталей

За квантово-механічною теорією хімічного зв'язку кількість утворених атомом ковалентних зв'язків визначається кількістю одноелектронних атомних орбіталей, тобто кількістю неспарених електронів. Однак атоми деяких елементів утворюють більшу кількість ковалентних зв'язків порівняно з кількістю неспаре­них електронів в основному стані. Так, атом Карбону в основному стані має два неспарені електрони, але, як відомо, в органічних сполуках він утворює чотири ковалентні зв'язки. Це можна пояс­нити, якщо уявити, що один з 25-електронів переходить на вакантну 2/>_г-орбіталь:

1$ 2з 2р_х 2р_у 2р_г 1$ 2$ 2р_х 2р_у 2р_г

\\ \\ \ \ \\ \ І І І

основний стан Карбону збуджений стан Карбону

У такому стані, який називають збудженим, атом Карбону має чотири одноелектронні орбіталі. Оскільки валентні орбіталі Кар­бону нерівноцінні (одна — я, а три — р), то і ковалентні зв'язки, утворені з їх участю, не повинні бути еквівалентними. Насправ­ді ж, наприклад, у молекулі метану СН₄ всі чотири ковалентні зв'яз-

28

Глава З

Хімічнии зв язок

29

к и С—Н рівноцінні. Для пояснення цього факту у квантово-меха­нічній теорії хімічного зв'язку введено математично обгрунтоване поняття про гібридизацію атомних орбіталей.

Суть гібридизації полягає в тому, що з декількох різних за фор­мою і близьких за енергією атомних орбіталей утворюється така ж кількість однакових за формою та енергією гібридних орбіталей. Наприклад, при взаємодії одієї 5- і трьох /ьатомних орбіталей утво­рюються чотири 5/?³-гібридні орбіталі. За формою гібридна орбі-таль відрізняється від 5- і ^-орбіталей, являючи собою несимет­ричну об'ємну вісімку:

_О

Гібридні орбіталі є атомними орбіталями, але виникають вони тільки в процесі утворення хімічного зв'язку і не відображають реальної структури вільного атома. Унаслідок перекриття більшої частки гібридної орбіталі з атомними орбіталями інших атомів утворюється ковалентний зв'язок. У порівнянні з негібридизова-ними гібридні орбіталі вигідніші геометрично і внаслідок більшо­го перекриття з орбіталями інших атомів утворюють міцні зв'язки.

Для атома Карбону характерні три види гібридизації з участю 5- і /ьорбіталей: зр³-, зр²-, ^-гібридизація. Кожному з цих видів відповідає певний валентний стан атома.

«^-Гібридизація атомних орбіталей Карбону (перший валентний стан). При 5р³-гібридизації з однієї 5- і трьох /ьорбіталей утворю­ються чотири якісно нові, рівноцінні .^-гібридні орбіталі, напра­влені в просторі під кутом 109° 28' (від центра правильного тетра­едра до його вершин). Тому 5/?³-гібридизацію називають ще тетраедричною.

Виходячи зі схеми, поданої на рис. 3.1, можна припустити, що частка 5-хмари в гібридних 5/?³-орбіталях дорівнює 1/4. У першому валентному стані атом Карбону утворює лише прості ковалентні зв'язки.

зр -Гібридизація атомних орбіталей Карбону (другий валентний стан). 5/?²-Гібридизація відбувається внаслідок взаємодії однієї $-і двох /7-орбіталей (р_х, р_у). Таким чином утворюються три еквіва-

Рис. 3.1. Схема утворення і розміщення в просторі гібридних і/^-орбіталей

чотири зр -гібридні орбіталі

лентні 5/?²-гібридні орбіталі, що лежать в одній площині під кутом 120°. Тому 5р²-гібридизація називається ще тригональною. Залишена негібридизованою /?_г-орбіталь розташована в площині, перпенди­кулярній до площини гібридних орбіталей (рис. 3.2).

три «р -орбіталі

Рис. 3.2. Будова атома Карбону в ^-гібридному стані:

три з/> -гібридні орбіталі + р^-орбіталь

а — схема утворення гібридних л/^-ор-біталей; б — взаємне розміщення гіб­ридних та негібридної АО

зо

Глава З

Умовно частка я-хмари в 5/?²-гібридних орбіталях дорівнює 1/3. Атом Карбону в цьому стані утворює подвійний зв'язок.

2р_т-орбіталь

25-орбіталь

зр-Гібридизація Карбону (третій валентний стан). ^-Гібридиза­ція виникає внаслідок злиття однієї 5- і однієї /ьорбіталі (р_х). При цьому утворюються дві др-гібридні орбіталі, розташовані одна від­носно одної під кутом 180°. Тому ^-гібридизація називається ліній­ною. Негібридизовані р_у- та /?_г-орбіталі розташовані у двох взаємно перпендикулярних площинах під Прямим кутом до 5р-гібридних ор­біталей (рис. 3.3).

три зр -орбіталі

Рис. 3.3. Будова атома Карбону в 5/?-гібридному стані:

дві зр-гібридні + р_у- і р_г-орбіталі б

а — схема утворення гібридних 5р-АО; б — взаємне розміщення АО в просторі

5-Характер лр-гібридних орбіталей дорівнює 1/2. У стані ^-гіб­ридизації атом Карбону утворює потрійний зв'язок.

Слід зазначити, що поряд з трьома граничними варіантами гібридизації 5- і /«-орбіталей існує багато проміжних типів.