Атомные орбитали АО. Гибридизация.

 

Часть атомного пространства, в котором вероятность нахождения электрона максимальна, называется атомной орбиталью (АО). S -орбиталь имеет сферическую форму, P- орбиталь имеет форму обьемной восьмерки.

Электронная конфигурация атома углерода в нормальном (основном) состоянии может быть выражен формулой 1S² 2S² 2P² или графически:

Таким образом, у атома углерода во втором внешнем электронном слое два спаренных S-электрона и только два неспаренных P-электрона. Следовательно, углерод должен проявлять валентность равную двум, однако он четырехвалентен, т.е. углерод образует четыре ковалентные связи. Четырехвалентность углерода объясняется тем, что атом углерода переходит из основного состояния 1S² 2S² 2P² в возбужденное состояние 1S² 2S¹ 2P³ или графически:

 

Однако, все четыре связи углерода одинаковы.

Равноценность всех четырех связей углерода объясняется тем, что происходит смешение орбиталей одного S- и трех P- электронов и называют SP³ - гибридизацией. В результате во внешнем электронном слое углеродного атома возникают четыре одинаковые гибридные связи (несимметричные) восьмёрки.

Это первое валентное состояние углерода. Все четыре гибридные облака имеют определенную направленность в пространстве под углом 109⁰,28. Рис.1

А б в г д

Рис.1 негибридизованные 2р (а, б, в) и 2 Sорбитали (г) атома углерода и орбитали атома углерода в состоянии SP³ -гибридизации (д).

 

Рис.2 а- перекрывание 1 S-орбиталей атомов водорода (Н-Н); б- перекрывание 1 S-орбитали атома водорода с гибридной орбиталью атома углерода (С-Н); в- перекрывание двух гибридных орбиталей атомов углерода (С-С).

 

Связи такого типа, в которых максимальное перекрывание электронных облаков осуществляется на линии между центрами атомов называются сигма σ - связями, а электроны участвующие в их образовании сигма σ - электронами. Рис.2

 

2.5. Ковалентные связи. Г ибридизация.

 

Ковалентной называется химическая связь, образованная за счёт обобществления электронов связываемых атомов.

Ковалентная связь в органической молекуле образуется за счёт перекрывания атомных орбиталей.

Существует два типа ковалентной связи: сигма σ и пи πсвязи.

σ - Связь образуется за счет перекрывания гибридных SP³-АО.

π-Связь образуется при боковом перекрывании негибридизованных P-АО.

Г ибридизация орбиталей.

SP³ – гибридизация.

В результете SP³ –гибридизацииатом углерода переходит из основного состояния 1S² 2S² 2P² в возбужденное состояние 1S² 2S¹ 2P^3, происходит смешение орбиталей одного 2S- и трех 2P- электронов и его называют SP³ - гибридизацией. В результате во внешнем электронном слое углеродного атома возникают четыре одинаковые гибридные связи.

Это первое валентное состояние углерода. Все четыре гибридные облака имеют определенную направленность в пространстве под углом 109⁰,28. Такое состояние гибридизации характерно для алканов, сигма σ - связи.

SP² – гибридизация. характерна для алкенов. Например, в молекуле этилена Н₂С=СН₂ при образовании двойной связи в каждом из атомов углерода образуется лишь три гибридные связи за счет гибридизации одной S-орбитали и двух P –орбиталей, SP² гибридизация у каждого углеродного атома одна из P –орбиталей не участвует в гибридизации и остается неизменной.

Связь, которая осуществляется перекрыванием орбиталей P –электронов называется π-связью. Облака этих электронов сохраняют форму объемных восьмерок и направлены перпендикулярно к плоскости, в которой расположены σ -связи молекулы этилена и перекрываются над плоскостью и под этой плоскостью. Второе валентное состояние углерода SP²-гибридизация. В этилене пять сигма σ - связей: четыре С-Н и одна С-С. Все они расположены в одной плоскости, каждая под углом 120⁰ к соседней связи. Рис.3

 

Рис.3 Перекрывание двух негибридизованных 2р-орбиталей в молекуле этилена: а- объемное изображение перекрывающихся негибридизованных 2р-орбиталей; б- схематическое изображение этих орбиталей на плоскости.

 

Двойная связь, являющаяся сочетанием σ - и π-связей, по характеру существенно отличается от простой связи.

Структурная формула этилена

SР-гибридизация.

Такое состояние гибридизации характерно для алкинов. Рассмотрим на примере ацетилена.

 

При образовании тройной связи гибридизации подвергаются одна S –орбиталь и одна P –орбиталь. У каждого углеродного атома в ацетилене образуется по две гибридные орбитали, две P –орбитали каждого углеродного атома не участвуют в гибридизации и сохраняют свою конфигурацию в виде двух объемных восьмерок.

Одна из них представляет собой σ -связь, две другие представляют собой π-связи. Рис.4

Рис.4 перекрывание четырех негибридизованных 2 P –орбиталей в молекуле ацетилена: а- объемное изображение четырех перекрывающихся 2 P –орбиталей; б- схематическое изображение этих орбиталей в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

 

Такая гибридизация называется SP-гибридизацией, третье валентное состояние углерода. Все они расположены в одной плоскости, каждая под углом 180⁰ к соседней связи. В результате перекрывания орбиталей P –электронов, образуются две π-связи. Эти π-связи расположены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.