Типы связей в молекулах органических веществ. Гибридизация атомных орбиталей углерода. Радикал. Функциональная группа.

 

Типы связей в молекулах органических веществ

 

Одна из характеристик химических связей — тип перекрывания орбиталей атомов в молекуле.
По характеру перекрывания различают σ-(сигма) и π‑(пи) связи.

 

σ-Связь — это связь, в которой перекрывание орбиталей происходит вдоль оси, соединяющей ядра атомов.

 

σ-Связь может быть образована любыми типами орбиталей (s, p, d, гибридизованными).

σ-Связь — это основная связь в молекуле, которая преимущественно образуется между атомами.

Между двумя атомами возможна только одна σ-связь.

Виды σ-связей

 

π-Связь — это связь, в которой перекрывание орбиталей происходит в плоскости, перпендикулярной оси, соединяющей ядра атомов, сверху и снизу от оси связи.

 

π-Связь образуется при перекрывании только р- (или d) орбиталей, перпендикулярных линии связи и параллельных друг другу.

 

π-Связь является дополнительной к σ-связи, она менее прочная и легче разрывается при химических реакциях.

 

Одинарная связь

С–С, С–Н, С–О

Двойная связь

С=С, С=О

Тройная связь

С≡С, С≡N

σ-связьσ-связь + π-связьσ-связь + две π-связи

 

Гибридизация атомных орбиталей углерода

 

Электронная формула атома углерода в основном состоянии: 

+6С 1s22s22p2

+6С  1s   2s   2p 

 

В возбужденном состоянии: один электрон переходит с 2s-подуровня на 2р-подуровень.

+6С* 1s22s12p3

+6С* 1s2   2s1  2p3 

 

Таким образом, в возбужденном состоянии углерод содержит четыре неспаренных электрона, может образовать четыре химические связи и проявляет валентность IV в соединениях.

При образовании четырех химических связей атомом углерода происходит гибридизация атомных орбиталей.

 

Гибридизация атомных орбиталей — это выравнивание электронной плотности атомных орбиталей разного типа с образованием новых, молекулярных орбиталей, форма и энергия которых одинаковы.

 

В гибридизацию вступают атомные орбитали с небольшой разницей в энергии (как правило, орбитали одного энергетического уровня). В зависимости от числа и типа орбиталей, участвующих в гибридизации, для атома углерода возможны sp3, sp2 и sp-гибридизация.

 

sp3-Гибридизация

 

В sp3-гибридизацию вступают одна s-орбиталь и три p-орбитали. При этом образуются четыре sp3-гибридные орбитали:

 

Изображение с портала orgchem.ru

 

Четыре sp3-гибридные орбитали атома углерода взаимно отталкиваются, и располагаются в пространстве так, чтобы угол между орбиталями был максимально возможным.

 

Поэтому четыре гибридные орбитали углерода в состоянии sp3-гибридизации направлены в пространстве под углом 109о 28’  друг к другу, что соответствует тетраэдрическому строению.

 

 

Например, в молекуле метана CH4 атомы водорода располагаются в пространстве в вершинах тетраэдра, центром которого является атом углерода. Валентный угол Н–С–Н в метане равен 109о 28’

 

 

Молекулам линейных алканов с большим числом атомов углерода соответствует зигзагообразное расположение атомов углерода.

 

Например, пространственное строение н-бутана

 

 

sp2-Гибридизация

 

В sp2-гибридизацию вступают одна s-орбиталь и две p-орбитали. Одна p-орбиталь не гибридизуется:

 

 

 

Три sp2-гибридные орбитали атома углерода взаимно отталкиваются, и располагаются в пространстве так, чтобы угол между орбиталями был максимально возможным.

 

Поэтому три sp2-гибридные орбитали атома углерода направлены в пространстве под углом 120о друг к другу, что соответствует плоскому строению (треугольник).

 

 

При этом негибридная р-орбиталь располагается перпендикулярно плоскости, в которой расположены три гибридные sp2— орбитали.

 

Изображение с портала orgchem.ru

 

Например, молекула этилена C2H4 имеет плоское строение. Сигма-связь между атомами углерода образуется за счет перекрывания sp2-гибридных орбиталей. Пи-связь между атомами углерода образуется за счет перекрывания негибридных р-орбиталей.

 

 

Модель молекулы этилена:

 

sp-Гибридизация

 

В sp-гибридизацию вступают одна s-орбиталь и одна p-орбиталь. Две p-орбитали не  вступают в гибридизацию:

 

 

Две sp-гибридные орбитали атома углерода направлены в пространстве под углом 180о друг к другу, что соответствует линейному строению.

 

Изображение с портала orgchem.ru

При этом две р-орбитали располагаются перпендикулярно друг другу и перпендикулярно линии, на которой расположены гибридные орбитали.

 

Например, молекула ацетилена имеет линейное строение.