stroenie atoma ugleroda gibridizasiy

Строение атома углерода
Очевидно, что все реакции, в которые вступают органические молекулы,
связаны со строением атома углерода конкретной молекулы и перестройкой его
внешних валентных орбиталей в процессе превращений.
В невозбужденном состоянии атом углерода имеет 2 электрона на s-орбитали
второго подуровня (2s-орбитали), а также 2 электрона на двух (из всего 3) pорбиталей 2 подуровня (2px- и 2py-орбиталях):
2s 2px 2py 2pz
↑↓ ↑ ↑
В результате получения энергии извне атом углерода переходит в возбужденное
состояние, когда один из 2s-электронов переходит на энергетически
более высокую 2р-орбиталь:
2s 2px 2py 2pz
↑ ↑ ↑ ↑
Таким образом, на внешних орбиталях у углерода имеется 4 электрона,
способных к образованию связей. Согласно теории, формы s- и р-орбиталей
описывают вероятность нахождения электрона относительно ядра атома.
Негибридизованные s- и р-орбитали имеют формы сферы и равномерной
«гантели» и располагаются в пространстве согласно нижеприведенной схеме:
При образовании соединений из атомарного углерода (или в составе соединений
углерода) происходит изменение формы и расположения в пространстве
относительно
ядра
атома
внешних
орбиталей
углерода,
называемое гибридизацией. Схематически гибридизацию можно представить
таким образом:
Из четырех негибридизованных атомных s- и р-орбиталей, имеющих разную
форму, в результате sp3-гибридизации (что означает изменение одной s- и
трех р-орбиталей)
получаются четыре
равноценных по
энергии
и
форме гибридизованные молекулярные орбитали, имеющие форму искаженной
гантели.
Для обеспечения минимальных стерических затруднений и взаимного
отталкивания эти четыре равноценные орбитали расположены в пространстве
на равных друг от друга расстояниях, направлены к вершинам тетраэдра (ядро
атома углерода располагается в центре тетраэдра), а пространственные углы
между орбиталями составляют около 109°28’:
В таком состоянии четыре связи в результате перекрывания орбиталей могут
быть образованы беспрепятственно. В такой гибридизации углерод
присутствует (исключительно) в составе алканов, циклоалканов и спиртов.
Таким образом, например, выглядит молекула этана (желтыми сферами
показаны атомы водорода, точнее, их s-орбитали):
Связь между атомами углерода образована перекрыванием гибридизованных
орбиталей. Такие связи называют -связями (сигма-связями). Вокруг -связи
возможно вращение фрагментов молекулы.
Гибридизация – изменение формы и расположения в пространстве относительно
ядра атома его внешних электронных орбиталей, при образовании связей с
другими атомами. Другое определение: гибридизация – смешение орбиталей, в
результате которого происходит их выравнивание по форме и энергии.
Атом углерода, имеющий при себе кратную связь (алкены -С=С-, карбонильные
соединения >C=O, карбоновые кислоты и их производные -СООН, -COOR и
т.д.), имеет другую гибридизацию (sp2), соответственно, форму и расположение
в пространстве внешних орбиталей:
В состоянии sp2-гибридизации при углероде имеется только 3 гибридизованных
орбитали (полученные из одной s- и двух р-орбиталей), которые расположены в
одной
плоскости
под
углом
120° между
ними,
а
четвертая
(негибридизованная) р-орбиталь располагается
перпендикулярно
этой
плоскости.
Двойная
связь
образуется
в
результате перекрывания
негибридизованных орбиталей между соседними атомами углерода (или
между углеродом и кислородом), на рисунке представлена молекула этилена
(этена):
Связи,
образуемые
перекрыванием
негибридизованных
р-орбиталей,
называют -связями. Таким образом, кратная (двойная) связь в молекуле этена
образована одной сигма- и одной пи-связью.
Вращение фрагментов молекулы вокруг -связи по понятным причинам при
нормальной температуре невозможно (необходима дополнительная энергия на
разрыв перекрывающихся р-орбиталей), это обуславливает наличие
пространственных (геометрических) изомеров у алкенов, при наличии
некоторых дополнительных условий, о которых будет сказано ниже.
На рисунке негибридизованные р-орбитали находятся на расстоянии –
разнесены искусственно, для лучшего восприятия, хотя в реальности они
«соприкасаются» друг с другом, перекрываясь сверху и снизу, но образуя
только одну дополнительную связь.
Углерод при тройной связи (в алкинах и нитрилах) находится в состоянии spгибридизации:
Пара гибридизованных орбиталей расположена в линию, под углом 180° и
противоположно направлена. Две негибридизованные р-орбитали, согласно
принципу
минимального
отталкивания
и
для
минимизации стерических затруднений, расположены перпендикулярно этой
линии и под углом 90° между собой. Тройная связь в алкинах образуется в
результате перекрывания гибридизованных орбиталей (одна -связь) и двух
негибридизованных р-орбиталей соседних атомов углерода (две -связи). Так,
например, выглядит модель молекулы ацетилена (этин):
В результате протекания реакций углерод способен как менять, так и сохранять
состояние своей гибридизации.