II. Электронное строение простых и кратных
УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ СВЯЗЕЙ И СОПРЯЖЁННЫХ
СИСТЕМ С ОТКРЫТОЙ ЦЕПЬЮ СОПРЯЖЕНИЯ
1. Химические связи и пространственная форма молекул. Гибридизация и гибридные орбитали.
Все органические соединения содержат атом углерода, который может быть связан с другим атомом углерода, с водородом или с гетероатомами - кислородом, серой, азотом. Отсутствие диссоциации на ионы у большинства органических соединений заставляет предполагать, что в органических молекулах связь ковалентная. Ковалентная связь образуется либо за счёт обобществления неспаренных электронов с антипараллельными спинами, ранее принадлежавших разным атомам (обменный механизм), либо за счёт неподелённой пары электронов, которую один атом (донор) отдаёт другому атому (акцептору) на свободную орбиталь последнего
А • + ۰В А •۰В
Обменный механизм: (прямыми стрелками показаны спины электронов.)
Донорно-акцепторный механизм (• и ۰ - электроны.)
Ковалентная связь, образованная по донорно-акцепторному механизму,по своим свойствам ничем не отличается от обычной ковалентной связи.
Установлено, что химические явления связаны с процессами, происходящими в электронной оболочке атомов. С современной точки зрения, электрон представляют в виде электронного облака.
Существует четыре типа электронных облаков – s, p, d, f.
s-облако имеет форму сферы, в центре которой находится ядро.
p-облако - форму "гантели", (форму двух эллипсоидов, между которыми находится атомное ядро).
d- и f -облака имеют сложную конфигурацию, а так как в образовании связей в органических соединениях эти облака участвуют редко, мы их рассматривать не будем.
Как уже было отмечено выше, в образовании химических связей принимают участие неспаренные электроны или неподеленные пары электронов, в случае образования донорно-акцепторной связи.
Однако, довольно часто число неспаренных электронов, имеющихся у атома данного элемента, меньше числа связей, которые он образует с другими элементами. Так, у атома углерода два неспаренных электрона, а его обычная валентность равна четырём.
Чтобы согласовать электронное строение атома с его валентностью, используют представление о возбуждении атома.
Возбуждение - это переход электрона с одного подуровня на другой в пределах валентного энергетического уровня.
С 1s22s22p2
два неспаренных
электрона в стационарном состоянии
четыре неспаренных электрона в возбуждённом состоянии
Однако эти четыре электрона неодинаковы по своему состоянию: один электрон имеет сферическую форму электронного облака (s -состояние), а три электрона - форму гантели (р -состояние). В этом случае можно было бы ожидать, что даже в самом простом соединении - в метане - связи должны быть неравноценны: одна связь должна отличаться от трёх других формой перекрывающихся орбиталей, а, следовательно, и энергией. Но экспериментально было
доказано, что все четыре связи углерода с водородом равноценны.
Чтобы согласовать теоретические представления с опытными данными, Л.Полинг ввёл представление о гибридизации атомных орбиталей как о своеобразном "смешении" шаровой и гантеливидных орбиталей. В результате такой комбинации атомных орбиталей получаются гибридные орбитали, которые имеют одинаковую форму и равный запас энергии.
Для атома углерода возможны три валентных состояния с различными типами гибридизации.