Основное состояние возбужденное состояние атома углерода

Для объяснения образования углеродом четырех одинарных связей вводится понятие гибридизации орбиталей: линейная комбинация четырех математических функций орбиталей активированного атома углерода может приводить к функциям четырех эквивалентных орбиталей, что позволяет описать молекулу метана более реалистично. В этой модели одна s и три p орбитали смешиваются (гибридизуются) и дают четыре новые гибридные орбитали:

Рис.5Изображение математической процедуры гибридизации одной 2s и трех

2P орбиталей углерода с образованием четырехsp3-гибридных орбиталей.

Эти гибридные орбитали называют sp³, т. к. их получают из одной s и трех p орбиталей. Каждая из них состоит из двух неравных ветвей. Оси орбиталей sp³ образуют между собой угол 109.5^о. Перекрывание этих орбиталей с орбиталями атомов водорода приводит к образованию молекулы метана (рис. 1.6).

Рис.6Схема образования связующих МО метана из четырехsp³-гибридных

Ао атома углерода и ао четырех атомов водорода.

В молекуле аммиака электроны вокруг атома азота также располагаются на sp³-гибридизованных орбиталях. Аналогичная картина наблюдается и в случае молекулы воды.

NH₃ H₂O

При sp³-гибридизации орбиталей атом углерода может давать лишь простые -связи. При образовании углеродом двойной связи прибегают к sp² гибридизации (рис. 7). В этом случае в гибридизации принимает участие одна 2s и две 2p орбитали и одна орбиталь 2p остается негибридной. Орбитали sp² эквивалентны, их оси копланарны и образуют между собой угол в 120^о; негибридная 2p орбиталь перпендикулярна плоскости гибридных орбиталей.

Рис. 7 Изображение математической процедуры гибридизации одной 2s и

двух 2p орбиталей с образованием трех sp²-гибридных орбиталей.

этилен

При образовании углеродом тройной связи прибегают к sp гибридизации. В этом случае в гибридизации принимают участие одна 2s и одна p орбитали и две орбитали 2p остаются негибридными (рис.8).

Рис. 8 Изображение математической процедуры гибридизации одной 2s и од

ной 2p орбиталей с образованием двух sp-гибридных орбиталей.

ацетилен

Упр.13. Опишите связи между атомами в молекулах (а) этановой кислоты, (б) этаналя, этанамида в термина атомных орбиталей и предскажите все валентные углы.

Ответ (а)

5. Длина и энергия связи

Общие электронные пары удерживают два связываемых атома на определенном расстоянии называемом длиной связи. Длина связи между атомами приблизительно равна сумме их ковалентных радиусов (r) (табл. 2), что позволяет вычислить длины любых связей. l_A-B = r_A + r_B

Таблица 2

Ковалентные радиусы (r) некоторых элементов, Å

H 0,37	С 0,77	N 0,70	O 0,66	Cl 0,99
	C 0,67	N 0,62	O 0,62	Br 1,14
	C 0,60	N 0,55	F 0,64	I 1,33

Упр. 14. Вычислите длины связей для (а) С-Н, (б) С-С, (в) C=C и (г) CС,

(д.) С-О, (е) C=O, (ж) C-Cl, … Значения ковалентных радиусов даны в табл. 1.2.

Ответ (а) 0,77 + 0,37 = 1,14 Å, (б) 2 х 0,77 = 1,54 Å, (в) 2 х 0,67 = 1,34 Å, (г) …

В общем случае при увеличении числа связей между двумя атомами их длина уменьшается. В некоторых молекулах длина связи углерод-углерод оказывается промежуточной между длиной одинарной (1.54Å) и двойной (1.33Å) связей. В этом случае говорят о порядке связи. Приближенное значение порядка такой связи можно найти графически.

Энергия это способность производить работу. Движущийся предмет обладает кинетической энергией. Если предметы притягиваются или отталкиваются между собой, то они обладают потенциальной энергией. Два шарика соединенные между собой пружиной могу обладать потенциальной энергией, если пружина натянута или сжата. Если пружина растянута, то между шариками имеется энергия притяжения, а если она сжата то энергия отталкивания. Если дать пружине

расслабиться, то в обоих случаях потенциальная энергия шариков превратится в кинетическую энергию.

Химическая энергия это одна из форм потенциальной энергии. Она существует, потому что различные части молекул притягиваются или отталкиваются между собой. Чем большей потенциальной энергией обладает предмет, тем менее он стабилен. При реакциях химическая энергия может высвобождаться в виде тепловой энергии.

Определить абсолютное содержание энергии в молекуле практически невозможно. И поэтому речь идет лишь об относительной потенциальной энергии молекул. Относительную потенциальную энергию молекул удобно представлять в виде относительной энтальпии. Разницу в относительных энтальпиях реагентов и продуктов при реакциях обозначают °. Для экзотермических реакций ° имеет отрицательное значение, а эндотермических - положительное. При образовании молекулы водорода из атомов тепло выделяется, а при расщеплении молекулы водорода на атомы тепло должно подводиться:

H + H  HH ° = –104 ккал/моль (–435 кДж/моль)

Н—Н  H + H ° = +104 ккал/моль (+435 кДж/моль)

1 ккал = 4.184 кДж

При образовании молекулы хлора из атомов энергии выделяется меньше, чем при образовании молекулы водорода:

Сl + Cl  СlCl ° = –58 ккал/моль

Cl—Cl  Cl + Cl ° = +58 ккал/моль

Таблица 3

Энергии связей, ккал/моль.

СС 88	NN 38	CO 84	CN 70
CC 146	NN 100	CO 170	CN 147
CC 200	NN 226		CN 210
HH 104	CH 98	OH 109	NH 92
OO 34	ClCl 57	BrBr 45	II 36

Если сравнить энергии простой, двойной и тройной углерод-углеродных связей, то можно видеть, что энергия двойной связи менее чем в два раза, а тройной менее чем в три раза больше энергии простой связи С-С. Поэтому превращение кратных связей в простые, например, при полимеризации сопровождается выделением энергии.

Энергия связи (Е), ккал/моль 88 146 200

Для других элементов чаще всего наблюдается обратная картина. Например, при переходе от простой к двойной и тройной азот-азотным связям их энергия более чем удваивается и утраивается.

Энергия связи (Е), ккал/моль 38 100 226

Таким образом, для углерода выгодно образование углеродных цепей, а для азота - двухатомных молекул. Азот-азотные цепи могут состоять не более чем из четырех атомов.