1.6 Электронное строение атома углерода, гибридизация

Для валентного электронного слоя атома С, находящегося в главной подгруппе четвёртой группы второго периода Периодической таблицы Д.И. Менделеева главное квантовое число n = 2, побочное (орбитальное) квантовое число l = 0 (s-орбиталь) и 1 (р-орбиталь); магнитное квантовое число m = 0 (при l = 0) и –1, 0, 1 (при l = 1).

В возбуждённом состоянии на внешнем электронном слое атома С по одному электрону находится на одной s-орбитали и трёх р-орбиталях. Для алканов характерна sр³- гибридизация (участвуют все 4 атомные орбитали внешнего электронного уровня). В непредельных соединениях одна или две негибридизованные р-орбитали участвуют в образовании -связей, при этом тип гибридизации атома углерода – sр² для алкенов и sр для алкинов.

Гибридные орбитали алканов располагаются в пространстве симметрично и направлены к вершинам тетраэдра. Связь С–Н образуется перекрыванием s-орбитали атома Н и гибридизованной орбитали атома С, связь С–С образуется за счет перекрывания 2-х гибридизованных орбиталей (направление связи – по оси между атомами). Это - связь.

Свойства -связи:

– высокая прочность и относительная химическая инертность;

– максимум электронной плотности расположен симметрично относительно ос, соединяющей атомы, поэтому возможно свободное вращение вдоль этой оси без изменения перекрывания орбиталей (конформеры);

– длина связи 0,154 нм; угол между направлениями орбиталей 109,5;

– электроотрицательность атома С в sр³-гибридном состоянии 2,51.

Атом углерода, связанный двойной связью с другим атомом углерода, находится в состоянии sр²-гибридизации (одна негибридизованная р-орбиталь образует -связь, в гибридизации участвуют 1s- и 2 р-орбитали внешнего электронного уровня). Гибридные орбитали располагаются в пространстве симметрично в одной плоскости, содержащей ядра С. Оставшаяся негибридизированная р-орбиталь ориентирована перпендикулярно этой плоскости. Связь С–Н образуется перекрыванием s-орбитали атома Н и гибридизованной орбитали атома С. Связь С–С образуется за счет перекрывания 2-х гибридизованных орбиталей (направление – по оси между атомами, в плоскости молекулы). Это -связь. Две негибридизованные р-орбитали перекрываются выше и ниже плоскости молекулы – образуется -связь.

Отличие двойной связи от одинарной:

– расстояние между атомами углерода при двойной связи меньше, чем при одинарной (0,134 нм); угол между гибридными орбиталями 120;

– электроотрицательность гибридизованного атома углерода 2,69;

– затрудненное вращение вокруг линии, соединяющей атомы углерода;

– двойная связь более прочна, т.к. увеличивается электронная плотность на связывающих молекулярных орбиталях между атомами углерода (так, термическая стойкость этилена выше, чем этана);

– высокая реакционная способность -связи, что объясняется большей подвижностью электронов вне плоскости молекулы;

– повышенная электронная плотность по сравнению с одинарной связью, причем на периферии молекулы. Это приводит к тому, что к двойной связи притягиваются положительно заряженные ионы или полярные молекулы своим положительным полюсом.

Связи С–Н в ацетилене относятся к числу -связей, образованных путем перекрывания s-орбитали водорода с гибридизованной sp-орбиталью углерода; в молекуле имеется одна углерод-углеродная -связь (образованная перекрыванием двух гибридизованных sp-орбиталей углерода) и две углерод-углеродные -связи (результат перекрывания двух взаимно перпендикулярных пар негибридизованных р-орбиталей (р_у и р_z)атомов углерода).

Свойства тройной связи:

– атомы углерода, связанные тройной связью, имеют электроотрицательность 2,75;

– длина СС-связи составляет 0,120 нм;

– валентные углы в ацетилене равны 180° и моле­кула имеет линейную конфигурацию, что делает невозможной цис-транс-изомерию при тройной связи;

– связь сильно поляризована, т.к. в sр- гибридной форме углеродный атом сильнее удерживает электроны, чем в sр² и sр³ – гибридных формах; следовательно; электронная пара СН-связи в молекуле ацетилена ближе у ядру С, чем в случае этилена, атом Н более подвижен, обладает слабыми кислотными свойствами (в отличие от алканов и алкенов).