2.3. Ковалентные связи с участием атома углерода

В основном состоянии атом углерода С (1s²2s²2p²) имеет два неспаренных электрона, за счет которых могут образовывать только две общие электронные пары. Однако в большинстве своих соединений углерод четырехвалентен. Это объясняется тем, что атом углерода, поглощая небольшое количество энергии, переходит в возбужденное состояние, в котором он имеет 4 неспаренных электрона, т.е. способен образовывать четыре ковалентные связи и принимать участие в формировании четырех общих электронных пар:

₆С 1 s ² 2s²2 p ² ₆С^*1 s ² 2s¹2 p ³

2

↑↓

↑

↑

2

↑

↑

↑

↑

1

↑↓

p

1

↑↓

p

s

s

Энергия возбуждения компенсируется образованием химических связей, которое происходит с выделением энергии.

Атомы углерода обладают способностью к образованию трех видов гибридизации электронных орбиталей (sp³, sp², sp) и образованию между собой кратных (двойных и тройных) связей (табл.7).

Таблица 7

Типы гибридизации и геометрия молекул

Связь	Тип гибри-диза-ции	Харак-тер связи	Валент-ный угол	Геометрия молекул	Длина связи, нм	Энер-гия связи, кДж	При-меры
С – С	sp3		109o29’	тетраэдри-ческая	0,154	335	CH4
C = C	sp2	 + 	120о	плоская	0,134	592	C2H4
C Ξ C	sp	+2	180о	линейная	0,120	811	C2H2

Простая (одинарная)  - связь осуществляется при sp³-гибридизации, при которой все четыре гибридных орбитали равноценны и имеют направленность в пространстве под углом 109^о29^’ друг к другу и ориентированы к вершинам правильного тетраэдра.

Рис. 19. Образование молекулы метана СН₄

Если гибридные орбитали углерода перекрываются с шарообразными s-орбиталями атома водорода, то образуется простейшее органическое соединение метан СН₄ – предельный углеводород (рис. 19).

Рис. 20. Тетраэдрическое расположение связей в молекуле метана

Большой интерес представляет изучение связей атомов углерода между собой и с атомами других элементов. Рассмотрим строение молекул этана, этилена и ацетилена.

Углы между всеми связями в молекуле этана почти точно равны между собой (рис. 21) и не отличаются от углов С-Н в молекуле метана.

Рис. 21. Молекула этана С₂Н₆

Следовательно, атомы углерода находятся в состоянии sp³-гибридизации.

Гибридизация электронных орбиталей атомов углерода может быть и неполной, т.е. в ней могут участвовать две (sp²–гибридизация) или одна (sp-гибридизация) из трех р - орбиталей. В этом случае между атомами углерода образуются кратные (двойная или тройная) связи. Углеводороды с кратными связями называются непредельными или ненасыщенными. Двойная связь (С = С) образуется при sp² – гибридизации. В этом случае у каждого из атомов углерода одна из трех р - орбиталей не участвует в гибридизации, в результате образуются три sp² – гибридные орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120^о друг к другу, а негибридная 2р -орбиталь располагается перпендикулярно этой плоскости. Два атома углерода соединяются между собой, образуя одну -связь за счет перекрывания гибридных орбиталей и одну -связь за счет перекрывания р-орбиталей. Взаимодействие свободных гибридных орбиталей углерода с 1s-орбиталями атомов водорода приводит к образованию молекулы этилена С₂Н₄ (рис. 22), - простейшего представителя непредельных углеводородов.

Рис. 22. Образование молекулы этилена С₂Н₄

Перекрывание электронных орбиталей в случае  - связи меньше и зоны с повышенной электронной плотностью лежат дальше от ядер атомов, поэтому эта связь менее прочная, чем  - связь.

Тройная связь образуется за счет одной  - связи и двух  - связей. Электронные орбитали при этом находятся в состоянии sp-гибридизации, образование которой происходит за счет одной s- и одной р - орбиталей (рис. 23).

Рис. 23. Образование молекулы ацетилена С₂Н₂

Две гибридные орбитали располагаются под углом 180^о относительно друг друга, а оставшиеся негибридные две р-орбитали располагаются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Образование тройной связи имеет место в молекуле ацетилена С₂Н₂.

Особый вид связи возникает при образовании молекулы бензола (С₆Н₆) – простейшего представителя ароматических углеводородов.

Бензол содержит шесть атомов углерода, связанных между собой в цикл (бензольное кольцо), при этом каждый атом углерода находится в состоянии sp² -гибридизации (рис. 24).

Все атомы углерода, входящие в молекулу бензола расположены в одной плоскости. У каждого атома углерода в состоянии sp²-гибридизации имеется еще одна негибридная р-орбиталь с неспаренным электроном, которая образует  - связь (рис. 25).

Ось такой р - орбитали расположена перпендикулярно плоскости молекулы бензола.

Рис. 24. sp² – орбитали молекулы бензола С₆Н₆

Рис. 25. - связи в молекуле бензола С₆Н₆

Все шесть негибридных р-орбиталей образуют общую связывающую молекулярную  - орбиталь, а все шесть электронов объединяются в  - электронный секстет.

Граничная поверхность такой орбитали расположена над и под плоскостью углеродного  - скелета. В результате кругового перекрывания возникает единая делокализованная  - система, охватывающая все углеродные атомы цикла. Бензол схематически изображают в виде шестиугольника с кольцом внутри, которое указывает на то, что имеет место делокализация электронов и соответствующих связей.