Молекулярна архитектура

от "Молекулна мистерия"

Органичната химия е химията на въглеродните съединения. Съединенията на въглерода и водорода се наричат ​​въглеводороди. Има хиляди въглеводороди, много от които се намират в природния газ и нефта. Най-простият въглеводород е метанът - основният компонентприроден газ. Молекулата на метана се състои от един въглероден атом и четири водородни атома.
Химиците обичат визуалните изображения, така че те създадоха структурни формули и различни пространствени модели. Особено успешни са полусферичните (калот - от френското Kalotte - кръгла шапка) молекулярни модели по Стюарт и Бриглеб, които отчитат радиуса на действие на отделните атоми.
За да изградим триизмерен пространствен модел на молекулата на метана, нека вземем въглероден атом и четири водородни атома от кутията на модела и да ги комбинираме така, че въглеродният атом да е заобиколен от четири водородни атома. Сглобеният модел има тетраедрична форма.
С увеличаване на дължината на веригата на алканите се наблюдава преход от газове към течности и след това към восъчни тела. Както следва от табл. 1, първите членове на серията алкани - от C до C 4 - при нормално налягане и стайна температура - газовете пентан и хексан са леки течности, маслени продукти от C15 до C 7 и твърди вещества от C.
Още при най-простите органични съединения се открива закономерна връзка между структура и свойства. Опитен химик често може да направи заключение за неговите свойства и действие въз основа на конструктивния план на съединението.
Въглеродът може също да образува съединения с водород, които съдържат по-малко водород от алканите. Например общият състав на етилена (етена) е C2H4, т.е. съдържа два водородни атома по-малко от етана. Тук се образува двойна връзка между двата въглеродни атома и двата атома вече са в различно състояние, отколкото в алканите, ъгълът на връзката не е тетраедричен (109 ° 28) - той е 120 °.
За да изградим молекулата на етилена, трябва да вземем двойно свързани въглеродни атоми от кутията на модела (Фигура 4).
В ацетилена (етин C2H2) има два въглеродни атома с тройна връзка, ъгълът на връзката е 180 °. Използвайки въглеродни атоми под формата на съответни полукълба, изграждаме модел на молекулата на ацетилена (фиг. 4).
От голямо значение са цикличните съединения, като циклоалкави (циклопарафини), като циклопентан и циклохексан, които са представители на споменатите по-горе нафтени.
Най-важното сред така наречените ароматни циклични съединения е бензенът. Химиците от миналия век дълго време се чудеха как се изгражда вещество, което съответства на състава на SHF. Това съединение, очевидно ненаситено, се държи много различно от етилен, пропилей или ацетилен. Озарението дойде при А. Кекуле. Говори се, че сънувал змия, ухапала собствената си опашка. Така че той си представи пръстенната структура на 26-та молекула бензен.
Формулата най-добре съответства на специалното взаимодействие (състояние) на връзките в бензена с помощта на кръг в шестоъгълник, тя изразява, че трите двойки електрони на бензеновия пръстен са комбинирани в един секстет. За по-ясно разбиране на фиг. 4 показва полусферичен модел на бензен.

Страница 1

Теорията на валентността изигра важна роля в развитието на теорията на химията като цяло и на органичната химия в частност. Въз основа на теорията за валентността Кекуле предполага, че въглеродният атом е четиривалентен и през 1858 г. се опитва, въз основа на това предположение, да представи структурата на най-простите органични молекули и радикали. През същата 1858 г. шотландският химик Арчибалд Скот Купър (1831-1892) предлага да се изобразят силите, свързващи атомите (или връзките, както обикновено се наричат) под формата на тирета. След „построяването“ на първата органична молекула стана съвсем ясно защо органичните молекули като правило са много по-големи и по-сложни от неорганичните.

Според идеите на Кекуле въглеродните атоми могат да се свързват помежду си, като използват една или повече от четирите си валентни връзки, образувайки дълги вериги - прави или разклонени. Очевидно никой друг атом няма тази забележителна способност в степента, в която я има въглеродът.

И така, като си представим, че всеки въглероден атом има четири валентни връзки и всеки водороден атом има една такава връзка, можем да изобразим трите най-прости въглеводороди (съединения, чиито молекули са образувани само от въглеродни и водородни атоми), метан CH4, етан C2H6 и пропан C3H8 , по следния начин:

Чрез увеличаване на броя на въглеродните атоми, тази последователност може да бъде продължена и почти безкрайно. Чрез добавяне на кислород (две валентни връзки) или азот (три валентни връзки) към въглеводородната верига могат да бъдат представени структурните формули на молекулите на етанол (C2H6O) и метиламин (CH5N):

Ако приемем възможността за две връзки (двойна връзка) или три връзки (тройна връзка) между съседни атоми, може да се изобразят структурните формули на съединения като етилен (C2H4), ацетилен (C2H2), метилцианид (C2H3N), ацетон (C3H6O). ) и оцетна киселина (C2H4O2):

Полезността на структурните формули беше толкова очевидна, че много органични химици ги възприеха веднага. Те признаха за напълно остарели всички опити да се изобразят органичните молекули като структури, изградени от радикали. В резултат на това се оказа необходимо, когато се записва формулата на съединение, да се покаже неговата атомна структура.

Руският химик Александър Михайлович Бутлеров (1823-1886) използва тази нова система от структурни формули в своята теория за структурата на органичните съединения. През 60-те години на миналия век той показа как с помощта на структурни формули могат ясно да се обяснят причините за съществуването на изомерите (виж глава 5). Така например етилов алкохол и диметилов етер имат една и съща емпирична формула C2H6O, но структурните формули на тези съединения се различават значително:

следователно не е изненадващо, че промяната в подреждането на атомите води до два набора от много различни свойства. В етиловия алкохол един от шестте водородни атома е свързан с кислороден атом, докато в диметиловия етер всичките шест водородни атома са свързани с въглеродни атоми. Кислородният атом държи водородния атом по-слаб от въглеродния атом, така че металният натрий, добавен към етанола, замества водорода (една шеста от общия брой). Натрият, добавен към диметилов етер, изобщо не измества водорода. По този начин, когато съставяте структурни формули, можете да се ръководите от химична реакция, а структурните формули от своя страна могат да помогнат да се разбере същността на реакциите.

Бутлеров обърна специално внимание на един от видовете изомерия, наречен тавтомеризъм (динамичен изомеризъм), при който някои вещества винаги действат като смеси от две съединения. Ако едно от тези съединения се изолира в чиста форма, то веднага частично ще премине в друго съединение. Бутлеров показа, че тавтомерията се дължи на спонтанния преход на водороден атом от кислороден атом към съседен въглероден атом (и обратно).

За да се докаже напълно валидността на системата от структурни формули, беше необходимо да се определи структурната формула на бензена, въглеводород, съдържащ шест въглеродни атома и шест водородни атома. Това не беше направено веднага. Изглежда, че няма такава структурна формула, която, докато отговаря на изискванията за валентност, в същото време би обяснила по-голямата стабилност на съединението. Първите версии на структурните формули на бензена бяха много подобни на формулите на някои въглеводороди - съединения, които са много нестабилни и не са сходни по химични свойства с бензена.

Въглеродният атом е основният градивен елемент, от който се изграждат органичните съединения. За да запълни валентната обвивка с осем електрона (както в инертен газ), въглеродният атом трябва да сдвои своите електрони с електроните на четири водородни атома.

В резултат на хибридизация и сдвояване на електрони се запълват както валентните електронни обвивки на въглерода, така и валентните обвивки на водородните атоми. Създава се изключително стабилна електронна конфигурация и се образува стабилна молекула CH 4, наречена метан.

Електроните на различни атоми образуват двойки, което е обозначено символично с точки. Всяка двойка от такива електрони образува ковалентна връзка. За удобство всяка от тези двойки електрони от различни атоми или ковалентна връзка обикновено се изобразява като линия (връзка), свързваща свързаните атоми.

Четирите връзки от въглеродния атом представляват четирите валентности, които има въглеродният атом. По същия начин една връзка между всеки водороден атом и въглерод представлява една валентност, която всеки водороден атом има.

Тези опростени представяния обаче не отразяват истинската триизмерна геометрия на молекулата на метана. Метанът има тетраедрична структура поради хибридизация. Всички ъгли между HCH връзките в метана са 109,5° (фиг. 8). Тетраедричната структура позволява на всеки от водородните атоми да заема позиция, доколкото е възможно от съседните водородни атоми. В резултат на това силите на отблъскване между съседни водородни атоми стават минимални.

Ковалентните въглерод-водородни връзки в метана са силни връзки. За да се получат от 1 g-молекула (1 mol) метан (16 g) съставните въглеродни и водородни атоми, ще е необходимо да се изразходват 404 kcal енергия. Тъй като в молекулата на метана има четири въглерод-водородни връзки, всяка има средна енергия от 101 kcal/mol. Такава връзка се счита за много силна ковалентна връзка.

Въглеродът (C) е шестият елемент от периодичната таблица на Менделеев с атомно тегло 12. Елементът принадлежи към неметалите и има изотоп 14 C. Структурата на въглеродния атом е в основата на цялата органична химия, тъй като всички органични вещества включват въглеродни молекули.

въглероден атом

Позиция на въглерода в периодичната таблица на Менделеев:

• шести пореден номер;
• четвърта група;
• втори период.

Ориз. 1. Позицията на въглерода в периодичната таблица.

Въз основа на данните от таблицата можем да заключим, че структурата на атома на елемента въглерод включва две обвивки, върху които са разположени шест електрона. Валентността на въглерода, който е част от органичните вещества, е постоянна и равна на IV. Това означава, че във външното електронно ниво има четири електрона, а във вътрешното - два.

От четирите електрона два заемат сферична 2s орбитала, а останалите два заемат 2p орбитала с форма на дъмбел. Във възбудено състояние един електрон се премества от 2s орбиталата към една от 2p орбиталите. Когато един електрон се движи от една орбитала към друга, се изразходва енергия.

Така един възбуден въглероден атом има четири несдвоени електрона. Конфигурацията му може да се изрази с формулата 2s 1 2p 3 . Това прави възможно образуването на четири ковалентни връзки с други елементи. Например в молекула метан (CH 4) въглеродът образува връзки с четири водородни атома - една връзка между s-орбиталите на водорода и въглерода и три връзки между p-орбиталите на въглерода и s-орбиталите на водорода.

Схемата на структурата на въглеродния атом може да бъде представена като +6C) 2) 4 или 1s 2 2s 2 2p 2.

Ориз. 2. Структурата на въглеродния атом.

Физически свойства

Въглеродът се среща естествено във формата скали. Известни са няколко алотропни модификации на въглерода:

• графит;
• диамант;
• карабина;
• въглища;
• сажди.

Всички тези вещества се различават по структурата на кристалната решетка. Най-твърдото вещество - диамантът - има кубична форма на въглерод. При високи температури диамантът се превръща в графит с шестоъгълна структура.

Ориз. 3. Кристални решетки на графит и диамант.

Химични свойства

Атомната структура на въглерода и способността му да свързва четири атома от друго вещество определят Химични свойстваелемент. Въглеродът реагира с метали, за да образува карбиди:

• Ca + 2C → CaC 2;
• Cr + C → CrC;
• 3Fe + C → Fe 3 C.

Също така реагира с метални оксиди:

• 2ZnO + C → 2Zn + CO 2 ;
• PbO + C → Pb + CO;
• SnO 2 + 2C → Sn + 2CO.

При високи температури въглеродът реагира с неметали, по-специално с водород, образувайки въглеводороди:

C + 2H 2 → CH 4.

С кислорода се образува въглерод въглероден двуокиси въглероден окис:

• C + O 2 → CO 2;
• 2C + O 2 → 2CO.

Въглеродният окис също се образува при взаимодействие с вода.

Продължение. За начало вижте № 15, 16/2004

Урок 5
атомни орбитали на въглерода

Ковалентна химическа връзка се образува с помощта на общи свързващи електронни двойки от типа:

Образуват химическа връзка, т.е. само несдвоени електрони могат да създадат обща електронна двойка с „чужд“ електрон от друг атом. При писане на електронни формули несдвоените електрони се намират един по един в орбиталната клетка.
атомна орбиталае функция, която описва плътността електронен облаквъв всяка точка от пространството около ядрото на атома. Електронният облак е област от пространството, в която с голяма вероятност може да се намери електрон.
За хармонизиране на електронната структура на въглеродния атом и валентността на този елемент се използват понятията за възбуждане на въглеродния атом. В нормално (невъзбудено) състояние въглеродният атом има две несдвоени 2 Р 2 електрона. Във възбудено състояние (когато енергията се абсорбира) едно от 2 с 2-електрона могат да преминат към свободни Р- орбитален. Тогава във въглеродния атом се появяват четири несдвоени електрона:

Спомнете си, че в електронната формула на атом (например за въглерод 6 C - 1 с 2 2с 2 2стр 2) големи цифри пред буквите - 1, 2 - показват номера на енергийното ниво. Писма сИ Рпоказват формата на електронния облак (орбитали), а числата вдясно над буквите показват броя на електроните в дадена орбитала. всичко с- сферични орбитали:

На второ енергийно ниво с изключение на 2 с-има три орбитали 2 Р-орбитали. Тези 2 Р-орбиталите имат елипсоидална форма, подобна на дъмбели, и са ориентирани в пространството под ъгъл 90 ° една спрямо друга. 2 Р-Орбиталите означават 2 p x, 2r yи 2 pzспоред осите, по които са разположени тези орбитали.

Когато се образуват химични връзки, електронните орбитали придобиват същата форма. И така, в наситените въглеводороди, едно с-орбитален и три Р-орбитали на въглероден атом, за да образуват четири еднакви (хибридни) sp 3-орбитали:

Това - sp 3 - хибридизация.
Хибридизация– подравняване (смесване) на атомни орбитали ( сИ Р) с образуването на нови атомни орбитали, т.нар хибридни орбитали.

Хибридните орбитали имат асиметрична форма, издължена към прикрепения атом. Електронните облаци се отблъскват взаимно и са разположени в пространството възможно най-далеч един от друг. В същото време, осите на четири sp 3-хибридни орбиталисе оказват насочени към върховете на тетраедъра (правилна триъгълна пирамида).
Съответно ъглите между тези орбитали са тетраедрични, равни на 109°28".
Върховете на електронните орбитали могат да се припокриват с орбиталите на други атоми. Ако електронните облаци се припокриват по линия, свързваща центровете на атомите, тогава такава ковалентна връзка се нарича сигма()-връзка. Например, в молекула C 2 H 6 етан се образува химическа връзка между два въглеродни атома чрез припокриване на две хибридни орбитали. Това е връзка. В допълнение, всеки от въглеродните атоми със своите три sp 3-орбитали се припокриват с с-орбитали на три водородни атома, образуващи три -връзки.

Общо за въглероден атом са възможни три валентни състояния с различни видове хибридизация. С изключение spСъществува 3-хибридизация sp 2 - и sp-хибридизация.
sp 2 -Хибридизация- смесване на един с- и две Р-орбитали. В резултат на това три хибридни sp 2 -орбитали. Тези sp 2 -орбитали са разположени в една и съща равнина (с оси х, при) и са насочени към върховете на триъгълника с ъгъл между орбиталите 120°. нехибридизиран
Р-орбитала е перпендикулярна на равнината на трите хибрида sp 2 орбитали (ориентирани по оста z). Горна половина Р-орбиталите са над равнината, долната половина е под равнината.
Тип sp 2-хибридизацията на въглерода се среща в съединения с двойна връзка: C=C, C=O, C=N. Освен това само една от връзките между два атома (например C=C) може да бъде връзка. (Другите свързващи орбитали на атома са насочени в противоположни посоки.) Втората връзка се образува в резултат на припокриването на нехибридни Р-орбитали от двете страни на линията, свързваща ядрата на атомите.

Ковалентна връзка, образувана от странично припокриване Р-орбитали на съседни въглеродни атоми се нарича pi()-връзка.

образование - комуникации

Поради по-малкото припокриване на орбиталите, -връзката е по-малко силна от -връзката.
sp-Хибридизацияе смесване (подравняване във форма и енергия) на едно с-и едно
Р-орбитали с образуването на две хибридни sp-орбитали. sp- Орбиталите са разположени на една и съща линия (под ъгъл от 180 °) и са насочени в противоположни посоки от ядрото на въглеродния атом. две
Р-орбиталите остават нехибридизирани. Те са разположени перпендикулярно една на друга.
направления - връзки. На изображението sp-орбиталите са показани по оста г, и нехибридизираните две
Р-орбитали – по осите хИ z.

Тройната връзка въглерод-въглерод CC се състои от -връзка, която възниква при припокриване
sp-хибридни орбитали, и две -връзки.
Връзката между такива параметри на въглеродния атом като броя на свързаните групи, вида на хибридизацията и видовете образувани химични връзки е показана в таблица 4.

Таблица 4

Ковалентни връзки на въглерод

Брой групи свързани с карбон	Тип хибридизация	Видове участващи химически връзки	Примери за съставни формули
4	sp 3	Четири - връзки
3	sp 2	Три - връзки и едното е връзката
2	sp	Две - връзки и две връзки	H-CC-H

Упражнения.

1. Какви електрони на атоми (например въглерод или азот) се наричат ​​несдвоени?

2. Какво означава понятието "споделени електронни двойки" в съединения с ковалентна връзка (например CH 4 или H 2 S )?

3. Какви са електронните състояния на атомите (например C илин ) се наричат ​​основни, а кои са възбудени?

4. Какво означават цифрите и буквите в електронната формула на атом (например C илин )?

5. Какво е атомна орбитала? Колко орбитали има във второто енергийно ниво на С атом и как се различават?

6. Каква е разликата между хибридните орбитали и оригиналните орбитали, от които са се образували?

7. Какви видове хибридизация са известни за въглеродния атом и какви са те?

8. Начертайте картина на пространственото разположение на орбиталите за едно от електронните състояния на въглеродния атом.

9. Как се наричат ​​химичните връзки и какво? Посочете-И-връзки във връзките:

10. За въглеродните атоми на съединенията по-долу посочете: а) вида на хибридизацията; б) видовете му химични връзки; в) ъгли на свързване.

Отговори на упражнения към тема 1

Урок 5

1. Електроните, които са по един на орбитала, се наричат несдвоени електрони. Например във формулата за електронна дифракция на възбуден въглероден атом има четири несдвоени електрона, а азотният атом има три:

2. Наричат ​​се два електрона, участващи в образуването на една химична връзка обща електронна двойка. Обикновено, преди образуването на химическа връзка, един от електроните на тази двойка принадлежи на един атом, а другият електрон принадлежи на друг атом:

3. Електронна държаваатом, в който се спазва редът на запълване на електронните орбитали: 1 с 2 , 2с 2 , 2стр 2 , 3с 2 , 3стр 2 , 4с 2 , 3д 2 , 4стр 2 и т.н основно състояние. IN възбудено състояниеедин от валентните електрони на атома заема свободна орбитала с по-висока енергия, такъв преход е придружен от разделяне на сдвоени електрони. Схематично се изписва така:

Докато в основното състояние имаше само два валентни несдвоени електрона, във възбудено състояние има четири такива електрона.

5. Атомна орбитала е функция, която описва плътността на електронен облак във всяка точка в пространството около ядрото на даден атом. На второто енергийно ниво на въглеродния атом има четири орбитали - 2 с, 2p x, 2r y, 2pz. Тези орбитали са:
а) формата на електронния облак ( с- топка, Р- дъмбел);
б) Р-орбиталите имат различна ориентация в пространството – по взаимно перпендикулярни оси х, гИ z, те са означени p x, r y, pz.

6. Хибридните орбитали се различават от оригиналните (нехибридни) орбитали по форма и енергия. Например, с-орбитална - формата на сфера, Р- симетрична осмица, sp-хибридна орбитала - асиметрична осмица.
Енергийни разлики: д(с) < д(sp) < д(Р). По този начин, sp-орбитала - осреднена по форма и енергия орбитала, получена при смесване на инициал с- И стр-орбитали.

7. Известни са три вида хибридизация на въглеродния атом: sp 3 , sp 2 и sp (вижте текста на урок 5).

9. -връзка - ковалентна връзка, образувана от фронтално припокриване на орбитали по линия, свързваща центровете на атомите.
-връзка - ковалентна връзка, образувана от странично припокриване Р-орбитали от двете страни на линията, свързваща центровете на атомите.
- Връзките са показани от втората и третата линия между свързаните атоми.