Гибридизация электронов углерода. s- и p- связи.

При изучении природы ковалентных связей атомов углерода пришлось сделать допущение, что валентные электроны в процессе образования химических связей располагаются не на чистых s- и р-орбиталях, а на смешанных (гибридных) орбиталях. Это явление получило название гибридизации.При образовании молекулы метана

углерод тратит на образование связей один s-электрон и три р-электрона. Одна из этих связей должна быть менее прочной, т.к. перекрывание s-орбиталей углерода с s-орбиталью водорода будет меньшим, чем перекрывание р-орбитали углерода с s-орбиталью водорода. В действительности, данная структурная формула показывает, что все четыре связи Н-С в молекуле метана равноценны, т.е. четыре электрона углерода при образовании химических связей распределяются на 4-х одинаковых "гибридных" орбитах (явление sр³-гибридизации). Путем математической обработки параметров атомных орбиталей при соблюдении принципов квантовой химии были рассчитаны гибридизованные орбиты. Они имеют направленный характер и более выгодны геометрически для образования связей, так как эффективнее перекрываются с орбитами электронов других атомов и образуют более прочные связи.

sp³-гибридзация наблюдается при образовании углеродом 4-х простых связей. Наиболее устойчивое расположение гибридных орбиталей такое, когда оси электронных облаков направлены из центра тетраэдра к его вершинам, то есть располагаются под углами 109^о28^/ (тетраэдрическое строение). При этом силы отталкивания электронов наименьшие.

Рисунок 3

Электронное строение молекулы метана

Область максимального перекрывания электронной плотности при образовании связей совпадает с прямой, соединяющей ядра атомов. Такие связи называются s-связями, а электроны, их образующие, - s-электронами.

При образовании двойной связи каждый атом углерода соединяется с тремя другими атомами

поэтому гибридизуются три электрона углерода – один s-электрон и 2 р-электрона (sр²-гибридизации). Наиболее симметричное расположение 3-х sp²-гибридных орбит достигается при размещении их осей в одной плоскости под углом 120^о друг к другу (плоскостно-тригональная структура). Химические связи. образующиеся при взаимодействии гибридных орбиталей друг с другом и с s-электронами водорода, относятся к s-связям.

Рисунок 4

Электронное строение молекулы этилена

р-орбиталь углерода, не участвующая в гибридизации, располагается перпендикулярно плоскости, на которой находятся ядра атомов. В результате бокового перекрывания негибридизованных
р-орбиталей выше и ниже плоскости s-связей образуется вторая связь между атомами углерода. Такой вид связи получил название p-связи. Электроны, ее образующие, называются p-электронами.

При образовании тройной связи атом углерода соединяется только с двумя другими атомами Н-С С-Н. Поэтому гибридизуются только два электрона: один s-электрон и один р-электрон (sp-гибридизация). Два гибридных облака, симметрично расположенные под углом 180^о друг к другу, образуют s-связи. Оставшиеся два р-электрона располагаются под углом 90^о друг к другу и к оси s-связей. При их боковом перекрывании образуются две p-связи.

Рисунок 5

Электронное строение молекулы ацетилена

Таким образом, в органических соединениях углерод может существовать в трех состояниях: sp³, sp², sp-гибридизациях. s -электроны прочно связаны с ядром, поэтому s-связь отличается высокой прочностью и малой поляризуемостью. p –электроны слабее связаны с ядрами атомов,

p-связи отличаются малой прочностью и высокой поляризуемостью.