Molekularna arhitektura

iz "Misterija molekula"

Organska kemija je kemija spojeva ugljika. Spojevi ugljika i vodika nazivaju se ugljikovodici. Postoje tisuće ugljikovodika, od kojih se mnogi nalaze u prirodnom plinu i nafti. Najjednostavniji ugljikovodik je metan - glavni komponenta prirodni gas. Molekula metana sastoji se od jednog atoma ugljika i četiri atoma vodika.
Kemičari vole vizualno, pa su stvorili strukturne formule i razne prostorne modele. Osobito su uspješni hemisferični (calot - od francuskog Kalotte - okrugla kapa) molekularni modeli po Stewartu i Briglebu, koji uzimaju u obzir radijus djelovanja pojedinih atoma.
Da bismo izgradili trodimenzionalni model molekule metana, uzmimo atom ugljika i četiri atoma vodika iz kutije modela i spojimo ih tako da atom ugljika bude okružen s četiri atoma vodika. Sastavljeni model ima tetraedarski oblik.
Kako se duljina lanca alkana povećava, opaža se prijelaz iz plinova u tekućine, a zatim u voštana tijela. Kao što slijedi iz tablice. 1, prvi članovi niza alkana - od C do C 4 - pri normalnom tlaku i sobnoj temperaturi - plinovi pentan i heksan su lake tekućine, uljasti proizvodi od C15 do C 7, a krutine od C.
Već na najjednostavnijim organskim spojevima nalazi se pravilan odnos strukture i svojstava. Iskusan kemičar često može zaključiti o njegovim svojstvima i djelovanju na temelju konstrukcijskog plana spoja.
Ugljik također može tvoriti spojeve s vodikom koji sadrže manje vodika od alkana. Na primjer, ukupni sastav etilena (etena) je C2H4, tj. sadrži dva atoma vodika manje od etana. Ovdje se stvara dvostruka veza između oba atoma ugljika, a oba su atoma već u drugom stanju nego u alkanima, kut veze nije tetraedarski (109 ° 28) - on je 120 °.
Da bismo izgradili molekulu etilena, moramo uzeti dvostruke veze ugljikovih atoma iz kutije modela (slika 4).
U acetilenu (etin C2H2) postoje dva atoma ugljika s trostrukom vezom, vezni kut je 180°. Pomoću atoma ugljika u obliku odgovarajućih hemisfera konstruiramo model molekule acetilena (slika 4).
Od velike važnosti su ciklički spojevi, kao što su cikloalkavi (cikloparafini), kao što su ciklopentan i cikloheksan, koji su predstavnici prethodno navedenih naftena.
Najvažniji među tzv. aromatskim cikličkim spojevima je benzen. Kemičari prošlog stoljeća dugo su se pitali kako se gradi tvar koja odgovara sastavu SHF. Ovaj spoj, očito nezasićen, ponaša se vrlo različito od etilena, propilena ili acetilena. A. Kekuleu je došlo prosvjetljenje. Priča se da je sanjao zmiju koja grize svoj rep. Tako je zamislio strukturu prstena 26. molekule benzena.
Formula najbolje odgovara posebnoj interakciji (stanju) veza u benzenu pomoću kruga u šesterokutu, ona izražava da su tri para elektrona benzenskog prstena spojena u jedan sekstet. Za jasnije razumijevanje na Sl. Slika 4 prikazuje polukuglasti model benzena.

Stranica 1

Teorija valencije odigrala je važnu ulogu u razvoju teorije kemije općenito, a posebno organske kemije. Na temelju teorije valencije Kekule je sugerirao da je ugljikov atom četverovalentan, a 1858. pokušao je, na temelju te pretpostavke, prikazati strukturu najjednostavnijih organskih molekula i radikala. Iste 1858. godine škotski kemičar Archibald Scott Cooper (1831.-1892.) predložio je da se sile koje povezuju atome (ili veze, kako se obično nazivaju) prikažu u obliku crtica. Nakon što je "izgrađena" prva organska molekula postalo je posve jasno zašto su organske molekule u pravilu mnogo veće i složenije od anorganskih.

Prema Kekuleovim zamislima, atomi ugljika mogu se međusobno povezati koristeći jednu ili više od svoje četiri valentne veze, tvoreći duge lance - ravne ili razgranate. Očigledno, niti jedan drugi atom nema ovu izvanrednu sposobnost u mjeri u kojoj je ima ugljik.

Dakle, zamislivši da svaki atom ugljika ima četiri valentne veze, a svaki atom vodika ima jednu takvu vezu, možemo prikazati tri najjednostavnija ugljikovodika (spojeva čije molekule tvore samo atomi ugljika i vodika), metan CH4, etan C2H6 i propan C3H8 , na sljedeći način:

Povećanjem broja ugljikovih atoma ovaj se slijed može nastaviti, i to gotovo neograničeno. Dodavanjem kisika (dvije valentne veze) ili dušika (tri valentne veze) lancu ugljikovodika mogu se prikazati strukturne formule molekula etanola (C2H6O) i metilamina (CH5N):

Pretpostavljajući mogućnost dviju veza (dvostruka veza) ili tri veze (trostruka veza) između susjednih atoma, mogu se prikazati strukturne formule spojeva kao što su etilen (C2H4), acetilen (C2H2), metil cijanid (C2H3N), aceton (C3H6O). ) i octene kiseline (C2H4O2):

Korisnost strukturnih formula bila je toliko očita da su ih mnogi organski kemičari odmah prihvatili. Prepoznali su kao potpuno zastarjele sve pokušaje da se organske molekule prikažu kao strukture izgrađene od radikala. Kao rezultat toga, smatralo se potrebnim, pri zapisivanju formule spoja, prikazati njegovu atomsku strukturu.

Ruski kemičar Aleksandar Mihajlovič Butlerov (1823-1886) upotrijebio je ovaj novi sustav strukturnih formula u svojoj teoriji strukture organskih spojeva. Šezdesetih godina prošlog stoljeća pokazao je kako se uz pomoć strukturnih formula mogu jasno objasniti razlozi postojanja izomera (vidi 5. poglavlje). Tako, na primjer, etilni alkohol i dimetil eter imaju istu empirijsku formulu C2H6O, ali se strukturne formule ovih spojeva značajno razlikuju:

stoga nije iznenađujuće da promjena u rasporedu atoma dovodi do dva skupa vrlo različitih svojstava. U etanolu je jedan od šest atoma vodika vezan za atom kisika, dok je u dimetil eteru svih šest atoma vodika vezano za atome ugljika. Atom kisika drži atom vodika slabije od atoma ugljika, tako da metalni natrij dodan etanolu zamjenjuje vodik (jedna šestina ukupnog broja). Natrij dodan dimetil eteru uopće ne istiskuje vodik. Stoga se pri sastavljanju strukturnih formula može voditi kemijske reakcije, a strukturne formule, zauzvrat, mogu pomoći u razumijevanju suštine reakcija.

Butlerov je posebnu pozornost posvetio jednoj od vrsta izomerije koja se naziva tautomerija (dinamička izomerija), u kojoj neke tvari uvijek djeluju kao smjese dvaju spojeva. Ako se jedan od tih spojeva izolira u svom čistom obliku, on će odmah djelomično prijeći u drugi spoj. Butlerov je pokazao da je tautomerija posljedica spontanog prijelaza atoma vodika s atoma kisika na susjedni atom ugljika (i obrnuto).

Da bi se u potpunosti dokazala valjanost sustava strukturnih formula, bilo je potrebno odrediti strukturnu formulu benzena, ugljikovodika koji sadrži šest atoma ugljika i šest atoma vodika. To nije učinjeno odmah. Činilo se da ne postoji takva strukturna formula koja bi, udovoljavajući zahtjevima valencije, ujedno objasnila veću stabilnost spoja. Prve verzije strukturnih formula benzena bile su vrlo slične formulama nekih ugljikovodika - spojeva koji su vrlo nestabilni i po kemijskim svojstvima nisu slični benzenu.

Atom ugljika osnovna je građevna jedinica od koje su građeni organski spojevi. Kako bi ispunio valentnu ljusku s osam elektrona (kao u inertnom plinu), atom ugljika mora upariti svoje elektrone s elektronima četiri atoma vodika.

Kao rezultat hibridizacije i sparivanja elektrona, popunjavaju se valentne elektronske ljuske ugljika i valentne ljuske atoma vodika. Stvara se izuzetno stabilna elektronska konfiguracija i nastaje stabilna molekula CH 4, nazvana metan.

Elektroni različitih atoma tvore parove, što je simbolično označeno točkama. Svaki par takvih elektrona tvori kovalentnu vezu. Zbog praktičnosti, svaki od ovih parova elektrona iz različitih atoma, ili kovalentna veza, obično se prikazuje kao linija (veza) koja povezuje povezane atome.

Četiri veze iz atoma ugljika predstavljaju četiri valencije koje ima atom ugljika. Slično, jedna veza između svakog atoma vodika i ugljika predstavlja jednu valenciju koju ima svaki atom vodika.

Međutim, ovi pojednostavljeni prikazi ne odražavaju pravu trodimenzionalnu geometriju molekule metana. Metan ima tetraedarsku strukturu zbog hibridizacije. Svi kutovi između HCH veza u metanu su 109,5° (slika 8). Tetraedarska struktura omogućuje svakom atomu vodika da zauzme položaj što je dalje moguće od susjednih atoma vodika. Kao rezultat toga, sile odbijanja između susjednih atoma vodika postaju minimalne.

Kovalentne veze ugljik-vodik u metanu su jake veze. Da bi se iz 1 g-molekule (1 mol) metana (16 g) dobili njegovi sastavni atomi ugljika i vodika, bilo bi potrebno potrošiti 404 kcal energije. Budući da u molekuli metana postoje četiri veze ugljik-vodik, svaka ima prosječnu energiju od 101 kcal/mol. Takva se veza smatra vrlo jakom kovalentnom vezom.

Ugljik (C) je šesti element periodnog sustava Mendeljejeva s atomskom težinom 12. Element pripada nemetalima i ima izotop 14 C. Struktura ugljikovog atoma leži u osnovi cijele organske kemije, budući da svi organski tvari uključuju molekule ugljika.

atom ugljika

Položaj ugljika u Mendeljejevom periodnom sustavu:

• šesti redni broj;
• četvrta skupina;
• drugo razdoblje.

Riža. 1. Položaj ugljika u periodnom sustavu.

Na temelju podataka iz tablice možemo zaključiti da struktura atoma elementa ugljika uključuje dvije ljuske, na kojima se nalazi šest elektrona. Valencija ugljika, koji je dio organskih tvari, konstantna je i jednaka IV. To znači da se na vanjskoj elektronskoj razini nalaze četiri elektrona, a na unutarnjoj dva.

Od četiri elektrona, dva zauzimaju sfernu 2s orbitalu, a preostala dva zauzimaju 2p orbitalu u obliku bučice. U pobuđenom stanju jedan elektron prelazi s 2s orbitale na jednu od 2p orbitala. Kada se elektron kreće s jedne orbitale na drugu, energija se troši.

Dakle, pobuđeni ugljikov atom ima četiri nesparena elektrona. Njegova se konfiguracija može izraziti formulom 2s 1 2p 3 . To omogućuje stvaranje četiri kovalentne veze s drugim elementima. Na primjer, u molekuli metana (CH 4), ugljik stvara veze s četiri atoma vodika - jedna veza između s orbitala vodika i ugljika i tri veze između p orbitala ugljika i s orbitala vodika.

Shema strukture atoma ugljika može se prikazati kao +6C) 2) 4 ili 1s 2 2s 2 2p 2.

Riža. 2. Građa atoma ugljika.

Fizička svojstva

Ugljik se prirodno pojavljuje u obliku stijene. Poznato je nekoliko alotropskih modifikacija ugljika:

• grafit;
• dijamant;
• karabin;
• ugljen;
• čađ.

Sve ove tvari razlikuju se u strukturi kristalne rešetke. Najtvrđa tvar - dijamant - ima kubični oblik ugljika. Na visokim temperaturama dijamant se pretvara u grafit heksagonalne strukture.

Riža. 3. Kristalne rešetke grafita i dijamanta.

Kemijska svojstva

Atomska struktura ugljika i njegova sposobnost vezivanja četiri atoma druge tvari određuju Kemijska svojstva element. Ugljik reagira s metalima stvarajući karbide:

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

Također reagira s metalnim oksidima:

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

Na visokim temperaturama ugljik reagira s nemetalima, osobito s vodikom, tvoreći ugljikovodike:

C + 2H 2 → CH 4.

S kisikom nastaje ugljik ugljični dioksid i ugljikov monoksid:

• C + O 2 → CO 2;
• 2C + O 2 → 2CO.

Ugljični monoksid također nastaje u interakciji s vodom.

Nastavak. Za početak, vidi № 15, 16/2004

Lekcija 5
atomske orbitale ugljika

Kovalentna kemijska veza nastaje korištenjem uobičajenih veznih elektronskih parova tipa:

Formirajte kemijsku vezu, tj. samo nespareni elektroni mogu stvoriti zajednički elektronski par sa "stranim" elektronom iz drugog atoma. Prilikom pisanja elektroničkih formula, nespareni elektroni se nalaze jedan po jedan u orbitalnoj ćeliji.
atomska orbitala je funkcija koja opisuje gustoću elektronskog oblaka u svakoj točki prostora oko jezgre atoma. Elektronski oblak je područje prostora u kojem se s velikom vjerojatnošću može naći elektron.
Za usklađivanje elektroničke strukture atoma ugljika i valencije ovog elementa koriste se pojmovi ekscitacije atoma ugljika. U normalnom (nepobuđenom) stanju ugljikov atom ima dva nesparena 2 R 2 elektrona. U pobuđenom stanju (kada se energija apsorbira) jedan od 2 s 2-elektrona mogu prijeći u slobodne R-orbitalni. Tada se u atomu ugljika pojavljuju četiri nesparena elektrona:

Podsjetimo se da je u elektroničkoj formuli atoma (na primjer, za ugljik 6 C - 1 s 2 2s 2 2str 2) veliki brojevi ispred slova - 1, 2 - označavaju broj energetske razine. pisma s i R označavaju oblik elektronskog oblaka (orbitale), a brojevi desno iznad slova označavaju broj elektrona u određenoj orbitali. svi s- sferne orbitale:

Na drugoj energetskoj razini osim 2 s-postoje tri orbitale 2 R-orbitale. Ova 2 R-orbitale imaju elipsoidan oblik, sličan bučicama, a orijentirane su u prostoru pod kutom od 90 ° jedna prema drugoj. 2 R- Orbitale označavaju 2 p x, 2r y i 2 pz prema osima duž kojih se te orbitale nalaze.

Kada se kemijske veze stvaraju, elektronske orbitale dobivaju isti oblik. Dakle, u zasićenim ugljikovodicima, jedan s-orbitalne i tri R-orbitale ugljikovog atoma tvore četiri identična (hibridna) sp 3-orbitale:

to - sp 3 - hibridizacija.
Hibridizacija– poravnanje (miješanje) atomskih orbitala ( s i R) uz stvaranje novih atomskih orbitala, tzv hibridne orbitale.

Hibridne orbitale imaju asimetričan oblik, izdužene prema spojenom atomu. Elektronski oblaci se odbijaju i nalaze se u prostoru što je moguće dalje jedan od drugog. Istodobno, osi od četiri sp 3-hibridne orbitale ispostavilo se da su usmjereni na vrhove tetraedra (pravilne trokutaste piramide).
Prema tome, kutovi između ovih orbitala su tetraedarski, jednaki 109°28".
Vrhovi elektronskih orbitala mogu se preklapati s orbitalama drugih atoma. Ako se elektronski oblaci preklapaju duž linije koja povezuje središta atoma, tada se takva kovalentna veza naziva sigma()-veza. Na primjer, u molekuli C 2 H 6 etana, kemijska veza nastaje između dva atoma ugljika preklapanjem dviju hibridnih orbitala. Ovo je veza. Osim toga, svaki od atoma ugljika sa svoja tri sp 3-orbitale se preklapaju sa s-orbitale tri vodikova atoma, tvoreći tri -veze.

Za atom ugljika moguća su ukupno tri valentna stanja s različitim vrstama hibridizacije. Osim sp 3-hibridizacija postoji sp 2 - i sp-hibridizacija.
sp 2 -Hibridizacija- miješanje jednog s- i dva R-orbitale. Kao rezultat, tri hibrida sp 2 -orbitale. ove sp 2 -orbitale nalaze se u istoj ravnini (s osi x, na) i usmjerene su na vrhove trokuta s kutom između orbitala od 120°. nehibridizirani
R-orbitala je okomita na ravninu tri hibrida sp 2 orbitale (orijentirane duž osi z). Gornja polovica R-orbitale su iznad ravnine, donja polovina ispod ravnine.
Vrsta sp 2-hibridizacija ugljika javlja se u spojevima s dvostrukom vezom: C=C, C=O, C=N. Štoviše, samo jedna od veza između dva atoma (na primjer, C=C) može biti veza. (Druge vezne orbitale atoma usmjerene su u suprotnim smjerovima.) Druga veza nastaje kao rezultat preklapanja nehibridnih R-orbitale s obje strane pravca koji povezuje jezgre atoma.

Kovalentna veza nastala bočnim preklapanjem R-orbitale susjednih ugljikovih atoma naziva se pi()-veza.

Obrazovanje - komunikacije

Zbog manjeg preklapanja orbitala, -veza je manje jaka od -veze.
sp-Hibridizacija je miješanje (usklađivanje u obliku i energiji) jednog s- i jedan
R-orbitale uz formiranje dviju hibridnih sp-orbitale. sp- Orbitale se nalaze na istoj liniji (pod kutom od 180 °) i usmjerene su u suprotnim smjerovima od jezgre ugljikovog atoma. Dva
R-orbitale ostaju nehibridizirane. Postavljeni su okomito jedni na druge.
pravci – veze. Na slici sp-orbitale su prikazane duž osi g, i nehibridizirana dva
R-orbitale – po osi x i z.

Trostruka veza ugljik-ugljik CC sastoji se od -veze koja nastaje preklapanjem
sp-hibridne orbitale, i dvije -veze.
Odnos između takvih parametara atoma ugljika kao što su broj spojenih skupina, vrsta hibridizacije i vrste stvorenih kemijskih veza prikazan je u tablici 4.

Tablica 4

Kovalentne veze ugljika

Broj grupa srodni s ugljikom	Vrsta hibridizacija	Vrste sudjelujući kemijske veze	Primjeri formula spojeva
4	sp 3	Četiri - veze
3	sp 2	Tri - veze i jedan je veza
2	sp	Dva - veze i dva priključka	H-CC-H

Vježbe.

1. Koji se elektroni atoma (na primjer, ugljika ili dušika) nazivaju nesparenim?

2. Što znači koncept "zajedničkih elektronskih parova" u spojevima s kovalentnom vezom (na primjer, CH 4 ili H 2 S )?

3. Koja su elektronska stanja atoma (na primjer, C ili N ) nazivaju se bazične, a koje pobuđene?

4. Što znače brojevi i slova u elektroničkoj formuli atoma (npr. C ili N )?

5. Što je atomska orbitala? Koliko je orbitala u drugoj energetskoj razini C atoma i kako se razlikuju?

6. Koja je razlika između hibridnih orbitala i izvornih orbitala iz kojih su nastale?

7. Koje su vrste hibridizacije poznate za ugljikov atom i koje su?

8. Nacrtajte prostorni raspored orbitala za jedno od elektronskih stanja ugljikovog atoma.

9. Kako se nazivaju kemijske veze i što? Navedite-i-veze u vezama:

10. Za ugljikove atome dolje navedenih spojeva navedite: a) vrstu hibridizacije; b) vrste njegovih kemijskih veza; c) vezni kutovi.

Odgovori na vježbe za temu 1

Lekcija 5

1. Elektroni koji su po jedan po orbitali nazivaju se nespareni elektroni. Na primjer, u formuli difrakcije elektrona pobuđenog atoma ugljika postoje četiri nesparena elektrona, a atom dušika ima tri:

2. Dva elektrona koji sudjeluju u stvaranju jedne kemijske veze nazivaju se zajednički elektronski par. Obično je prije stvaranja kemijske veze jedan od elektrona ovog para pripadao jednom atomu, a drugi elektron pripadao je drugom atomu:

3. Elektronička država atom u kojem se promatra redoslijed popunjavanja elektronskih orbitala: 1 s 2 , 2s 2 , 2str 2 , 3s 2 , 3str 2 , 4s 2 , 3d 2 , 4str 2 itd. nazivaju se glavna država. NA uzbuđeno stanje jedan od valentnih elektrona atoma zauzima slobodnu orbitalu s višom energijom, takav je prijelaz popraćen odvajanjem uparenih elektrona. Shematski je to napisano ovako:

Dok su u osnovnom stanju postojala samo dva valentna nesparena elektrona, u pobuđenom stanju postoje četiri takva elektrona.

5. Atomska orbitala je funkcija koja opisuje gustoću elektronskog oblaka u svakoj točki prostora oko jezgre danog atoma. Postoje četiri orbitale na drugoj energetskoj razini ugljikovog atoma - 2 s, 2p x, 2r y, 2pz. Ove orbitale su:
a) oblik elektronskog oblaka ( s- lopta, R- bučica);
b) R-orbitale imaju različitu orijentaciju u prostoru – duž međusobno okomitih osi x, g i z, oni su označeni p x, r y, pz.

6. Hibridne orbitale razlikuju se od izvornih (nehibridnih) orbitala po obliku i energiji. Na primjer, s-orbitala - oblik sfere, R- simetrična osmica, sp-hibridna orbitala - asimetrična osmica.
Energetske razlike: E(s) < E(sp) < E(R). Na ovaj način, sp-orbitala - orbitala prosječnog oblika i energije, dobivena miješanjem početne s- i str-orbitale.

7. Za ugljikov atom poznate su tri vrste hibridizacije: sp 3 , sp 2 i sp (pogledajte tekst lekcije 5).

9. -veza - kovalentna veza nastala frontalnim preklapanjem orbitala duž linije koja spaja središta atoma.
-veza – kovalentna veza nastala bočnim preklapanjem R-orbitale s obje strane linije koja povezuje središta atoma.
- Veze su prikazane drugom i trećom crtom između povezanih atoma.