Учебники Рудзитис / 10

§5 Электронная природа

химических связей

ворганических соединениях

•Какие виды химической связи вам известны?

Способы образования ковалентной связи. Органические соединения отличаются от неорганических в основном тем, что обладают молекулярным строением. Между атомами в их молекулах существуют ковалентные связи с незначительной полярностью. Эти связи образуются в результате перекрывания s—s-, s—p- и р—р-электронных орбиталей.

Чем больше перекрываются электронные орбитали взаимодействующих атомов, тем больше выделяется энергии, а следовательно, тем прочнее химическая связь. При образовании ковалентной связи наибольшее перекрывание наблюдают в случае двух s-орбиталей:

а также s-орбитали и р-орбитали и двух р-орбиталей (рис. 6, а, б).

Химическую связь, образующуюся в результате перекрывания орбиталей вдоль линии, соединяющей центры ядер двух атомов, называют s-СВЯЗЬЮ (сигма-связью).

Для р-орбиталей возможен ещё один вид взаимного перекрывания — боковое p—p-перекрывание, в результате которого образуются две области повышенной электронной плотности (рис. 6, в). При этом ни одна из них не лежит на линии, соединяющей центры ядер двух атомов.

Химическую связь, образующуюся в результате перекрывания орбиталей в двух областях, т. е. вне линии, соединяющей центры ядер атомов, называют p-СВЯЗЬЮ (пи-связью).

Как правило, p-связи менее прочные, чем s-связи.

20

Рис. 6. s—p-Перекрывание в молекуле HCl (а); p—p-перекрывание в молекуле Cl2 (б); боковое p—p-перекрывание (в)

Природа химической связи была установлена в результате совместного использования расчётных квантово-механических и экспериментальных методов исследования. Большая роль принадлежит двум квантово-ме- ханическим методам, наглядно показывающим распределение электронной плотности в молекуле: методу валентных связей (ВС), разработанному Л. Полингом, и методу молекулярных орбиталей (МО), разработанному в 30-х гг. XX в. Ф. Хундом и Р. Малликеном. Оба метода являются приближёнными, и при решении конкретной задачи используют метод, наиболее подходящий для данного случая. Эти методы позволяют, в частности, оценивать способность молекул к химическим реакциям. В данном учебнике при описании строения молекул органических веществ используется метод валентных связей.

p-Связь. s-Связь. Метод валентных связей

1.В чём сущность образования ковалентных связей?

2.В чём различие между s-связью и p-связью?

3.К какому виду по способу перекрывания орбиталей относят связи в соединениях Н2, I2, HCl и Н2О?

Яумею объяснять механизм образования и особенности s- и p-связей.

21

§6 Классификация

органических соединений

•С какой целью в науке используют классификацию?

•Какие принципы классификации веществ вам известны?

Так как органических соединений очень много, то необходимо их сгруппировать по определённым классам, т. е. классифицировать. При ознакомлении с простейшими представителями каждого класса соединений можно получить общее представление о соединениях всех классов. Основой классификации органических веществ принято считать вещества, которые состоят только из углерода и водорода. Такие вещества называют углеводородами. Все остальные органические вещества — производные углеводородов. Их можно считать соответствующими продуктами замены одного или нескольких атомов водорода в молекуле углеводорода атомами или даже группами атомов других элементов:

Органические соединения

Химией углеводородов и их производных назвал органическую химию в 1871 г. К. Шорлеммер — немецкий химик-органик.

Любая классификация основана на определённых признаках. В основу современной классификации органических соединений положены два важнейших признака:

–строение углеродного скелета молекулы;

–наличие в молекуле функциональных групп.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ГРУППА — это атомы или группа атомов в молекуле вещества, определяющие его химические свойства.

22

К функциональным группам относят, например, гидроксогруппу (гидроксильную группу) –ОН, аминогруппу –NН2 и др. По функциональным группам определяют принадлежность данного соединения к тому или иному классу веществ.

Классификация углеводородов, в основу которой положено их химическое строение и вид химической связи, представлена на схеме 1. Если же за основу классификации взять наличие функциональных групп, то она будет выглядеть иначе (схема 2).

Схема 1

Классификация органических соединений по строению углеродного скелета и по кратности связей

23

Схема 2

Классификация органических соединений по функциональным группам

Функциональная группа

1.Какое значение имеет в химии классификация веществ?

2.По каким двум признакам принято классифицировать органические вещества?

3.Какие вещества называют производными углеводородов?

4.Какие признаки положены в основу современной классификации органических соединений? Приведите примеры.

5.Выберите формулы веществ, содержащих функциональные группы, и назовите эти группы.

Язнаю принципы классификации органических соединений.

Ямогу по структурной формуле органического вещества определить его принадлежность к тому или иному классу.

24

ГЛАВА II

ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ — АЛКАНЫ 7

Электронное и пространственное §

строение алканов

•Какие вещества называют углеводородами?

•Что показывает структурная формула вещества?

•Что такое электроотрицательность?

Углеводороды — это органические соединения, состоящие из двух элементов — углерода и водорода. Существует огромное количество углеводородов. Вам уже известно строение молекул углеводородов метана СН4, пропана С3Н8, бутана C4H10 (см. § 2). В молекулах этих веществ валентные возможности углерода и водорода полностью использованы, и атомы других элементов к ним присоединиться не могут.

Углеводороды с общей формулой СnН2n + 2, которые не присоединяют водород и другие элементы, называют ПРЕДЕЛЬНЫМИ УГЛЕВОДОРОДАМИ или АЛКАНАМИ.

В общей формуле предельных углеводородов СnН2n + 2 буква n — целое число, показывающее, сколько атомов углерода содержится в молекуле данного углеводорода. Так, например, в молекуле углеводорода декана содержится 10 атомов углерода. Его молекулярная формула

С10Н2 10 + 2, т. е. С10Н22.

Алканами предельные углеводороды называют согласно международной номенклатуре (см. § 8). Исторически сложившееся название предельных углеводородов — парафины (от лат. parum affinis — не обладающие сродством) связано с тем, что по сравнению с другими углеводородами они менее активны (не взаимодействуют ни с кислотами, ни со щелочами).

Простейшим представителем алканов является метан.

25

Строение молекулы метана. Молекулярная формула метана СН4:

Так как атом углерода имеет бо€льшую электроотрицательность (2,5), чем атом водорода (2,1), то в молекуле метана происходит незначительное смещение общих электронных пар в сторону атома углерода.

Чтобы выяснить пространственное строение молекулы метана, необходимо вспомнить о формах электронных орбиталей и размещении электронов по энергетическим уровням и подуровням. Например, строение атома углерода изображают следующей схемой:

Так как на р-подуровне второго энергетического уровня имеется свободная орбиталь, то её может занять один из 2s-электронов:

В результате все четыре наружных электрона второго энергетического уровня в атоме углерода окажутся неспаренными. Такое состояние атома углерода называют возбуждённым состоянием.

Атом углерода в возбуждённом состоянии становится четырёхвалентным.

В молекуле метана к атому углерода присоединяются четыре атома водорода. Можно предположить, что четыре ковалентные связи, которые образует углерод с водородом, будут неравноценными: одна связь образована s–s-орбиталями и три связи — s–p-орбиталями. Однако экспериментально доказано, что все связи С—Н в метане равноценны и направлены к вершинам правильного тетраэдра под углом 109 28’.

Чтобы объяснить этот факт, используют представления о гибридизации s- и р-орбиталей в атоме углерода (рис. 7, а, б).

26

Рис. 9. Направление химических связей в молекуле пропана

углерода за счёт перекрывания двух гибридных электронных орбиталей и шесть s-связей за счёт перекрывания электронных орбиталей между атомами углерода и водорода (рис. 8).

Так как гибридные электронные орбитали атомов углерода направлены к вершинам тетраэдра, то при образовании молекулы пропана С3Н8 направление химической связи между вторым и третьим атомами углерода не может совпадать с направлением связи между первым и вторым атомами углерода. Образуется угол 109 28’ (рис. 9). Такие же углы существуют между четвёртым, пятым и другими атомами углерода. Углеродная цепь поэтому принимает зигзагообразную форму (рис. 10), но при изображении структурных формул эти углы не показывают (СН3—СН2—СН3 и т. д.).

Рис. 10. Зигзагообразная форма углеродной цепи

28

Лабораторный опыт. Изготовление моделей молекул углеводородов

Изготовьте шаростержневые модели молекул указанных ниже веществ из пластилина и деревянных или металлических стерж-

ней (можно использовать спички).

Модель молекулы метана. Из пластилина одного цвета изготовьте четыре шарика одинакового размера. Из пластилина другого цвета изготовьте шарик с диаметром в 1,5 раза больше диаметра предыдущих. На поверхности шарика большего размера (атом углерода) примерно на одинаковых расстояниях наметьте четыре точки. В отмеченных местах вставьте стержни, к концам которых присоедините четыре маленьких шарика (атомы водорода).

#Почему для изготовления моделей молекул требуются шарики различных размеров?

Модель молекулы пропана. Из пластилина одного цвета изготовьте восемь шариков одинакового размера. Из пластилина другого цвета изготовьте три шарика, диаметр которых в 1,5 раза больше диаметра предыдущих. Три шарика большего размера (атомы углерода) при помощи стержней соедините между собой под углом примерно 109 .

В соответствии со структурной формулой пропана к шарикам большего размера при помощи стержней присоедините восемь шариков меньшего размера, которые условно изображают атомы

водорода.

Модель молекулы 1-хлорпропана. С одного стержня модели молекулы пропана снимите один маленький шарик (атом водорода). Вместо него прикрепите шарик другого цвета (атом хлора), диаметр которого примерно в 2 раза больше диаметра маленького шарика.

#Какое из основных положений теории А. М. Бутлерова вы использовали при изготовлении моделей молекул?

#Почему при изготовлении модели молекулы пропана атомы углерода нужно соединять под углом примерно 109 ?

Предельные углеводороды (алканы). Возбуждённое состояние атома углерода. Гибридизация атомных орбиталей

29