Строение метана, этилена и ацетилена

В основном, невозбуждённом состоянии на внешней оболочке атома углерода имеется только два неспаренных электрона (- 2s²2p²). Для образования четырёх ковалентных связей необходимо наличие четырёх неспаренных электронов, что достигается переходом одного из двух 2 s -электронов на вакантную р -орбиталь:

Переход атома углерода в возбужденное состояние сопровождается затратой энергии, которая в дальнейшем компенсируется при образовании химической связи.

Для атомов углерода в алканах характерна sp³ -гибридизация, поэтому эти атомы соединяются между собой только σ -связью. Данный тип связи в алканах формируется в результате перекрывания sp³ -гибридной орбитали одного атома углерода с sp³ -гибридной орбиталью другого атома углерода.

Ось симметрии этой связи совпадает с прямой, соединяющей ядра атомов углерода. Между атомами углерода и водорода связь образуется в результате перекрывания s -орбитали водорода с sp³ -гибридной орбиталью атома углерода.

На рисунке 2.3. показано формирование молекулы метана: sp³ -гибридные орбитали направлены к вершинам тетраэдра.

Рисунок 2.3. Образование метана

При таком расположении орбитали максимально удалены друг от друга. Чтобы перекрывание каждой из четырёх гибридных орбиталей с s -орбиталью водорода было наиболее эффективно и образовалась прочная связь, необходимо, чтобы ядро каждого атома водорода располагалось в вершине этого тетраэдра.

Из рисунка видно, что метан представляет собой правильный тетраэдр.

В этане (рис. 2.4.) длина углерод-углеродной связи С-С равна 0, 154 нм, С-Н – связи – 0, 110 нм, а валентный угол составляет 109, 5°.

Таким образом, в предельных углеводородах между всеми атомами углерода содержатся простые связи, т.е. σ -связи.

Рисунок 2.4. Строение этана

Отличительной особенностью строения этилена является двойная углерод-углеродная связь. Здесь атомы углерода находятся в sp² -гибридном состоянии. Это значит, что в гибридизации участвуют одна s - и две р -орбитали и у каждого атома углерода имеется три sp² -гибридные орбитали (рис. 2.5.), располагающиеся в одной плоскости под углом 120°. Не участвующая в гибридизации р_z -орбиталь располагается перпендикулярно к плоскости трёх sp² -гибридных орбиталей:

Рисунок 2.5. sp² – Гибридизация атомных орбиталей

В молекуле этилена каждый sp² -гибридизованный атом углерода образует три σ -связи – одну С-С и две С-Н. Негибридные p _z -орбитали располагаются в одной плоскости и взаимодействуют друг с другом путём «бокового» перекрывания (рис. 2.6.). В результате такого «бокового» перекрывания образуется ещё одна связь (π -связь), которая располагается в плоскости, перпендикулярной σ -связи. Длина углерод-углеродной связи в этом случае составляет 0, 134 нм.

Рисунок 2.6. Строение этилена

Таким образом, в молекуле этилена имеются пять σ -связей и одна π -связь.

Энергия разрыва простой углерод-углеродной связи составляет примерно 335 кДж/моль, а для двойной С=С-связи она равна 615 кДж/моль. Прочность π -связи составляет 615-335=280 кДж/моль). что значительно меньше, чем σ -связи (сравните 335 и 280 кДж/моль). Это объясняется тем, что связь, формирующаяся при «боковом» перекрывании (π -связь), менее прочная, чем при «лобовом» (σ -связь). Электроны, участвующие в π -связывании, слабее удерживаются ядрами углерода, поэтому поляризуемость этой связи гораздо выше, чем σ -связи. Облака π -электронов двойной связи располагаются над и под плоскостью σ -связи, что обеспечивает большую их доступность для атаки.

В ацетилене атомы углерода находятся в sp -гибридном состоянии. В гибридизации участвуют одна s - и одна р -орбитали.

У каждого атома углерода имеются две sp -гибридные орбитали, располагающиеся на одной прямой, т.е. под углом 180^° и две негибридные р -орбитали, которые расположены перпендикулярно как к гибридным, так и по отношению друг к другу (рис. 2.7.).

Рисунок 2.7. sp – Гибридизация атомных орбиталей

Две гибридизованные sp -орбитали (по одной от каждого атома углерода), перекрываясь, образуют σ -связь (осевое перекрывание).

Оставшиеся у каждого атома углерода негибридизованные р -орбитали (2 р_у и 2 р_z), располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях и перекрываются соответственно с аналогичными орбиталями другого sp -гибридизованного углеродного атома, формируя две π -связи (боковое перекрывание). Каждая из этих π -связей располагается во взаимно перпендикулярных плоскостях как между собой, так и по отношению к σ -связи (рис. 2.8.) длина углерод-углеродной связи составляет 0, 120 нм, валентные углы равны 180^°, т.е. молекула ацетилена линейна.

Для описания химической связи используют такие методы квантовой механики, как метод молекулярных орбиталей, а также метод валентных связей (МВС)*.