![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Теория гибридизации атомных орбиталей
Известно, что в большинстве органических соединений атом углерода четырёхвалентен. Однако электронная конфигурация его внешнего электронного слоя — 2s 2 2p 2, и образование четырёхковалентных связей возможно при переходе атома углерода в возбуждённое состояние. При этом происходит «распаривание» электронов на s- подуровне, и один из них переходит на близкую по энергии р- орбиталь: С 2s 2 2p 2+ 400 кДж/моль ® С* 2s 1 2p 3
Четыре неспаренных электрона внешнего электронного слоя заселяют разные по энергии орбитали: один электрон находится на s- и три электрона — на р- орбиталях.
Из свойств соединений углерода известно, что если в молекуле атом углерода образует четыре ковалентные связи с четырьмя одинаковыми заместителями, то такие связи между собой абсолютно одинаковы. Например, в метане СН4 все четыре связи равноценны. В 1931 году Л. Полинг* выдвинул гипотезу, согласно которой атомные орбитали углерода в возбуждённом состоянии как бы смешиваются, выравниваются по форме и энергии, то есть усредняются — гибридизуются. Из одной s- и трёх р- орбиталей образуется четыре равноценных гибридных орбитали. Из четырёх разных орбиталей образуется четыре одинаковых по энергии и по форме атомных орбитали, при этом тип гибридизации здесь sp 3, так как в гибридизации участие принимают одна s- и три р- орбитали. Для гибридизации, как и для возбуждения атома углерода, требуются затраты энергии.
одна s + три р ® четыре sp 3
Это первое валентное состояние углерода. Геометрическая форма sp 3 - гибридных орбиталей — вытянутые объёмные «восьмёрки», расположение в пространстве — на максимальном удалении друг от друга, то есть оси этих орбиталей должны быть направлены к вершинам правильного тетраэдра, и валентный угол (угол между осями орбиталей) соответствует такому пространственному их расположению и составляет 109°28¢. Этим можно объяснить способность атома углерода образовывать четыре равноценные ковалентные связи с четырьмя другими одинаковыми атомами (как, например, с атомами водорода в молекуле метана). При смешении, гибридизации трёх орбиталей: одной s- и двух р- орбиталей образуются три равноценные гибридные орбитали sp 2 - типа: одна s + две р ® три sp 2.
Геометрическая форма и расположение в пространстве sp 2-гибридных орбиталей — объёмные «восьмёрки». Эти орбитали — менее вытянутые, чем орбитали sp 3-типа, так как доля p -орбиталей в гибридной орбитали здесь меньше, и sp 2 - гибридная орбиталь менее похожа на p -орбиталь, чем орбиталь sp 3-типа. Оси их лежат в одной плоскости и направлены под углом 120° друг к другу.
Это второе валентное состояние углерода. В том случае, когда гибридизации подвергаются одна s- и одна р- орбиталь, образуются две sp- гибридные орбитали: одна s + одна р ® две sp,
оси которых находятся под углом 180°, то есть лежат на одной прямой. Это ещё менее вытянутые орбитали, чем sp 2 - гибридные.
Это третье валентное состояние углерода. Характеристика валентного состояния углерода и образуемых им связей приведена в табл. 1.1.
Таблица 1.1 Характеристика углерод-углеродных связей
По Полингу, степень гибридизации атомных орбиталей связана с валентным углом уравнением: 1 + liljcosqij = 0 или 1 + l 2 cosq = 0,
где li(j) — коэффициент смешения орбиталей, а l 2 — степень гибридизации (здесь количество р- орбиталей, принимающих участие в гибридизации с одной s- орбиталью); qij — валентный угол (угол между i- ной и j- ной атомными орбиталями). Например, для sp- гибридных орбиталей l 2 = 1, cos q = –1, q = 180°; Но в общем случае степень гибридизации может быть и дробной, так как валентные углы между разными связями в различных соединениях могут сильно отличаться от приведенных выше. В этих случаях необходимо помнить, что степень гибридизации — это лишь формальное число р -орбиталей, приходящихся в гибридизации на одну s- орбиталь.
|