شیمی آلی، شیمی اتم کربن است. تعداد ترکیبات آلی دهها برابر بیشتر از غیر آلی است که فقط قابل توضیح است. ویژگی های اتم کربن :

الف) او در است وسط مقیاس الکترونگاتیوی و دوره دوم، بنابراین برای او سودی ندارد که الکترون های خود را ببخشد و دیگران را بپذیرد و بار مثبت یا منفی به دست آورد.

ب) ساختار ویژه پوسته الکترونی - هیچ جفت الکترونی و اوربیتال آزاد وجود ندارد (فقط یک اتم دیگر با ساختار مشابه وجود دارد - هیدروژن، احتمالاً به همین دلیل است که کربن و هیدروژن ترکیبات زیادی را تشکیل می دهند - هیدروکربن).

ساختار الکترونیکی اتم کربن

C – 1s 2 2s 2 2p 2 یا 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0

به صورت گرافیکی:

یک اتم کربن در حالت برانگیخته دارای فرمول الکترونیکی زیر است:

*C – 1s 2 2s 1 2p 3 or 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1

به شکل سلول:

شکل اوربیتال های s و p

اوربیتال اتمی - ناحیه ای از فضا که احتمال یافتن یک الکترون با اعداد کوانتومی مربوطه بیشتر است.

این یک "نقشه کانتور" الکترونی سه بعدی است که در آن تابع موج احتمال نسبی یافتن یک الکترون را در آن نقطه خاص در اوربیتال تعیین می کند.

اندازه نسبی اوربیتال های اتمی با افزایش انرژی آنها افزایش می یابد. عدد کوانتومی اصلی- n) و شکل و جهت آنها در فضا توسط اعداد کوانتومی l و m تعیین می شود. الکترون ها در اوربیتال ها با یک عدد کوانتومی اسپین مشخص می شوند. هر اوربیتال نمی تواند بیش از 2 الکترون با اسپین مخالف داشته باشد.

اتم کربن هنگام ایجاد پیوند با اتم های دیگر، پوسته الکترونی خود را به گونه ای تبدیل می کند که قوی ترین پیوندها تشکیل می شود و در نتیجه تا آنجا که ممکن است انرژی آزاد می شود و سیستم بیشترین ثبات را به دست می آورد.

تغییر لایه الکترونی یک اتم به انرژی نیاز دارد که سپس با تشکیل پیوندهای قوی تر جبران می شود.

تبدیل پوسته الکترونی (هیبریداسیون) بسته به تعداد اتم هایی که اتم کربن با آنها پیوند ایجاد می کند، عمدتاً می تواند 3 نوع باشد.

انواع هیبریداسیون:

sp 3 - یک اتم با 4 اتم همسایه پیوند تشکیل می دهد (هیبریداسیون چهار وجهی):

فرمول الکترونیکی sp 3 – اتم کربن هیبریدی:

*С –1s 2 2(sp 3) 4 به شکل سلول

زاویه پیوند بین اوربیتال های هیبریدی ~109 درجه است.

فرمول استریوشیمیایی اتم کربن:

sp 2 - هیبریداسیون (وضعیت ظرفیت)- یک اتم با 3 اتم همسایه پیوند تشکیل می دهد (هیبریداسیون مثلثی):

فرمول الکترونیکی sp 2 – اتم کربن هیبریدی:

*С –1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 به صورت سلولی

زاویه پیوند بین اوربیتال های هیبریدی ~120 درجه است.

فرمول استریوشیمیایی sp 2 - اتم کربن هیبریدی:

sp- هیبریداسیون (وضعیت ظرفیت) - یک اتم با 2 اتم همسایه پیوند تشکیل می دهد (هیبریداسیون خطی):

فرمول الکترونیکی sp – اتم کربن هیبریدی:

*С –1s 2 2(sp) 2 2p 2 به صورت سلولی

زاویه پیوند بین اوربیتال های هیبریدی ~180 درجه است.

فرمول استریوشیمیایی:

اوربیتال s در همه انواع هیبریداسیون دخیل است، زیرا حداقل انرژی را دارد

بازسازی ابر الکترونی امکان تشکیل قوی ترین پیوندهای ممکن و حداقل برهمکنش اتم ها در مولکول حاصل را فراهم می کند. که در آن اوربیتال های ترکیبی ممکن است یکسان نباشند، اما زوایای پیوند ممکن است متفاوت باشند، به عنوان مثال CH 2 Cl 2 و CCl 4

2. پیوندهای کووالانسی در ترکیبات کربنی

پیوندهای کووالانسی، خواص، روش ها و دلایل شکل گیری - برنامه درسی مدرسه.

فقط به شما یادآوری کنم:

1. ارتباطات آموزش و پرورش بین اتم ها را می توان نتیجه همپوشانی اوربیتال های اتمی آنها در نظر گرفت و هر چه موثرتر باشد (هر چه انتگرال همپوشانی بزرگتر باشد)، پیوند قوی تر است.

با توجه به داده های محاسبه شده، بازده همپوشانی نسبی اوربیتال های اتمی S rel به شرح زیر افزایش می یابد:

بنابراین، استفاده از اوربیتال‌های ترکیبی، مانند اوربیتال‌های کربن sp 3، برای تشکیل پیوند با چهار اتم هیدروژن منجر به پیوندهای قوی‌تر می‌شود.

2. پیوندهای کووالانسی در ترکیبات کربنی به دو صورت تشکیل می شوند:

آ)اگر دو اوربیتال اتمی در امتداد محورهای اصلی خود همپوشانی داشته باشند، پیوند حاصل نامیده می شود - پیوند σ.

هندسه.بنابراین، هنگامی که پیوندهایی با اتم های هیدروژن در متان تشکیل می شود، چهار اوربیتال هیبریدی sp 3 ~ اتم کربن با اوربیتال های s چهار اتم هیدروژن همپوشانی دارند و چهار پیوند σ قوی یکسان را تشکیل می دهند که در زاویه 109 درجه 28 اینچ به هر یک قرار دارند. دیگر (زاویه چهار وجهی استاندارد) یک ساختار چهار وجهی کاملا متقارن نیز به وجود می آید، به عنوان مثال، در طول تشکیل CCl 4؛ اگر اتم های تشکیل دهنده پیوند با کربن نابرابر باشند، برای مثال در مورد CH 2 C1 2، ساختار فضایی خواهد بود. تا حدودی با کاملا متقارن متفاوت است، اگرچه اساساً چهار وجهی باقی می ماند.

طول پیوند σبین اتم های کربن به هیبریداسیون اتم ها بستگی دارد و در طول انتقال از sp 3 - هیبریداسیون به sp کاهش می یابد. این با این واقعیت توضیح داده می شود که اوربیتال s نسبت به اوربیتال p به هسته نزدیک تر است، بنابراین، هر چه سهم آن در اوربیتال ترکیبی بیشتر باشد، کوتاه تر است و بنابراین پیوند کوتاه تر تشکیل می شود.

ب) اگر دو اتمی پ اوربیتال هایی که به موازات یکدیگر قرار دارند، همپوشانی جانبی را در بالا و پایین صفحه ای که اتم ها در آن قرار دارند، انجام می دهند، سپس پیوند حاصل نامیده می شود. - π (pi) -ارتباطات

همپوشانی جانبیاوربیتال های اتمی کارایی کمتری نسبت به همپوشانی در امتداد محور اصلی دارند، بنابراین π - اتصالات قوی تر از σ - اتصالات این امر به ویژه در این واقعیت آشکار می شود که انرژی یک پیوند دوگانه کربن-کربن کمتر از دو برابر انرژی یک پیوند منفرد است. بنابراین، انرژی پیوند C-C در اتان 347 کیلوژول بر مول است، در حالی که انرژی پیوند C = C در اتن تنها 598 کیلوژول بر مول است و نه 700 کیلوژول بر مول.

درجه همپوشانی جانبی دو اوربیتال 2p اتمی و در نتیجه قدرت π اگر دو اتم کربن و چهار اتم به آنها پیوند داشته باشند، پیوندها حداکثر هستند اتم ها دقیقاً در یک صفحه قرار دارند، یعنی اگر آنها هم صفحه ، زیرا فقط در این مورد اوربیتالهای 2p اتمی دقیقاً با یکدیگر موازی هستند و بنابراین قادر به حداکثر همپوشانی هستند. هر گونه انحراف از حالت همسطح به دلیل چرخش به اطراف σ - پیوند دو اتم کربن منجر به کاهش درجه همپوشانی و در نتیجه کاهش قدرت می شود. π -bond که در نتیجه به حفظ صافی مولکول کمک می کند.

چرخشدر اطراف پیوند دوگانه کربن و کربن امکان پذیر نیست.

توزیع π -الکترون های بالا و پایین صفحه مولکول به معنای وجود است مناطق دارای بار منفی، آماده تعامل با هر معرف کمبود الکترون است.

اتم های اکسیژن، نیتروژن و غیره نیز حالت های ظرفیت متفاوتی دارند (هیبریداسیون) و جفت الکترون آنها می تواند هم در هیبرید و هم در اوربیتال p باشد.

در مولکول آمونیاک، الکترون های اطراف اتم نیتروژن نیز در اوربیتال های هیبرید شده sp 3 قرار دارند. تصویر مشابهی در مورد یک مولکول آب مشاهده می شود.

NH3H2O

با هیبریداسیون مداری sp 3، اتم کربن فقط می تواند پیوندهای s ساده ایجاد کند. هنگامی که یک پیوند دوگانه توسط کربن تشکیل می شود، هیبریداسیون sp 2 استفاده می شود (شکل 7). در این حالت یک اوربیتال 2s و دو اوربیتال 2p در هیبریداسیون شرکت می کنند و یک اوربیتال 2p غیر هیبرید باقی می ماند. اوربیتال های sp 2 معادل هستند، محورهای آنها همسطح هستند و زاویه ای 120 درجه با یکدیگر تشکیل می دهند. اوربیتال غیر هیبریدی 2p عمود بر صفحه اوربیتال های هیبریدی است.

برنج. 7 سو

دو2 پاوربیتال ها به شکل سه sp 2-اوربیتال های ترکیبی

هنگامی که کربن یک پیوند سه گانه تشکیل می دهد، هیبریداسیون sp استفاده می شود. در این حالت، یک اوربیتال 2s و یک اوربیتال p در هیبریداسیون شرکت می کنند و دو اوربیتال 2p غیر هیبرید باقی می مانند (شکل 8).

برنج. 8تصویر روش ریاضی هیبریداسیون یک 2 سو od

نوح 2 پاوربیتال ها به شکل دو sp-اوربیتال های ترکیبی

استیلن

تمرین 13. پیوندهای بین اتم‌ها را در مولکول‌های (الف) اتانوئیک اسید، (ب) اتانال، اتانامید بر حسب اوربیتال‌های اتمی توصیف کنید و تمام زوایای پیوند را پیش‌بینی کنید.

پاسخ(آ)

طول پیوند و انرژی

جفت الکترون های مشترک دو اتم پیوند خورده را در فاصله معینی به نام نگه می دارند طول اتصال. طول پیوند بین اتم ها تقریباً برابر با مجموع شعاع کووالانسی آنها (r) است (جدول 2) که محاسبه طول هر پیوند را ممکن می سازد. l A - B = r A + r B

جدول 2

شعاع کووالانسی (r) برخی از عناصر، Å

سابق. 14.Vطول پیوند برای (الف) C-H، (ب) C-C، (ج) C=C و (د) CºС را محاسبه کنید،

(ه.) C-O، (ه) C=O، (g) C-Cl، ... مقادیر شعاع کووالانسی در جدول آورده شده است. 1.2.

پاسخ(الف) 0.77 + 0.37 = 1.14 Å، (ب) 2 x 0.77 = 1.54 Å، (ج) 2 x 0.67 = 1.34 Å، (d) ...

که در مورد کلیبا افزایش تعداد پیوندهای بین دو اتم، طول آنها کاهش می یابد. در برخی از مولکول ها، طول پیوند کربن-کربن حد وسط بین طول پیوندهای منفرد (1.54A) و دو (1.33A) به نظر می رسد. در این مورد ما در مورد ترتیب ارتباط صحبت می کنیم. مقدار تقریبی ترتیب چنین رابطه ای را می توان به صورت گرافیکی یافت.

انرژی توانایی انجام کار است. یک جسم متحرک دارای انرژی جنبشی است. اگر اجسام یکدیگر را جذب یا دفع کنند، آنگاه انرژی بالقوه دارند. اگر فنر تحت کشش یا فشرده شدن باشد، دو توپ که توسط یک فنر به هم متصل می شوند، می توانند انرژی پتانسیل داشته باشند. اگر فنر کشیده شود، بین توپ ها انرژی جذابی وجود دارد و اگر فشرده شود، انرژی دافعه وجود دارد. اگر بهار را بدهید

استراحت کنید، سپس در هر دو مورد انرژی پتانسیل توپ ها به انرژی جنبشی تبدیل می شود.

انرژی شیمیایی شکلی از انرژی پتانسیل است. به این دلیل وجود دارد که بخش های مختلف مولکول ها یکدیگر را جذب یا دفع می کنند. هرچه انرژی پتانسیل یک جسم بیشتر باشد، پایداری آن کمتر است. . در واکنش ها، انرژی شیمیایی می تواند به عنوان انرژی گرمایی آزاد شود.

تعیین محتوای انرژی مطلق یک مولکول تقریبا غیرممکن است. و بنابراین ما در موردفقط در مورد انرژی پتانسیل نسبیمولکول ها.نسبی انرژی پتانسیلنمایش مولکول ها به شکل آنتالپی نسبی راحت است.تفاوت در آنتالپی نسبی واکنش دهنده ها و محصولات در واکنش ها با DH° نشان داده می شود. برای واکنش های گرمازا، DH° دارد معنی منفی، و گرماگیر - مثبت. هنگامی که یک مولکول هیدروژن از اتم ها تشکیل می شود، گرما آزاد می شود و زمانی که یک مولکول هیدروژن به اتم تقسیم می شود، گرما باید تامین شود:

H· + H· ¾® H¾H DH° = -104 کیلو کالری در مول (-435 کیلوژول بر مول)

Н-Н ¾® H· + H· DH° = + 104 کیلو کالری در مول (+ 435 کیلوژول در مول)

1 کیلو کالری = 4.184 کیلوژول

هنگامی که یک مولکول کلر تشکیل می شود، انرژی کمتری از اتم ها نسبت به زمانی که یک مولکول هیدروژن تشکیل می شود آزاد می شود:

Сl· + Cl· ¾® Сl¾Cl DH° = -58 kcal/mol

Cl-Cl ¾® Cl· + Cl· DH° = +58 kcal/mol

جدول 3

انرژی های پیوند، kcal/mol.

اگر انرژی پیوندهای کربن و کربن منفرد، دوگانه و سه گانه را با هم مقایسه کنیم، می بینیم که انرژی یک پیوند دوگانه کمتر از دو برابر و یک پیوند سه گانه کمتر از سه برابر انرژی یک پیوند منفرد است. اتصالات S-S. بنابراین، تبدیل پیوندهای متعدد به پیوندهای ساده، به عنوان مثال، در حین پلیمریزاسیون، با آزاد شدن انرژی همراه است.

انرژی پیوند (E)، kcal/mol 88 146 200

برای عناصر دیگر، اغلب تصویر مخالف مشاهده می شود. به عنوان مثال، هنگام حرکت از پیوندهای تک به دو و سه گانه نیتروژن-نیتروژن، انرژی آنها بیش از دو و سه برابر می شود.

انرژی پیوند (E)، kcal/mol 38 100 226

بنابراین، تشکیل زنجیره های کربنی برای کربن مفید است، و تشکیل مولکول های دو اتمی برای نیتروژن مفید است. زنجیره های نیتروژن-نیتروژن نمی توانند بیش از چهار اتم داشته باشند.

معماری مولکولی

از "راز مولکول ها"

شیمی آلی شیمی ترکیبات کربنی است. ترکیبات کربن و هیدروژن را هیدروکربن می نامند. هزاران هیدروکربن وجود دارد که بسیاری از آنها در گاز طبیعی و نفت یافت می شوند. ساده ترین هیدروکربن متان است - اصلی جزءگاز طبیعی. یک مولکول متان از یک اتم کربن و چهار اتم هیدروژن تشکیل شده است.
شیمیدانان عاشق تجسم هستند، بنابراین فرمول های ساختاری و انواع مدل های فضایی ایجاد کرده اند. به ویژه مدل‌های مولکول‌های نیمکره‌ای (کالوت - از Kalotte فرانسوی - کلاهک گرد) مطابق با استوارت و بریگلب هستند که محدوده عمل اتم‌های منفرد را در نظر می‌گیرند.
برای ساخت یک مدل فضایی سه بعدی از یک مولکول متان، یک اتم کربن و چهار اتم هیدروژن را از جعبه مدل بردارید و آنها را طوری به هم وصل کنید که اتم کربن توسط چهار اتم هیدروژن احاطه شود. مدل مونتاژ شده دارای شکل چهار وجهی است.
با افزایش طول زنجیره آلکان ها، انتقال از گازها به مایعات و سپس به جامدات مومی شکل رخ می دهد. به شرح زیر از جدول. 1، اولین اعضای سری آلکان ها - از C تا C 4 - در فشار معمولی و دمای اتاق - گازهای پنتان و هگزان به راحتی مایعات متحرک هستند، از C15 تا C7 محصولات روغنی و از C - جامدات وجود دارد.
در حال حاضر در ساده ترین ترکیبات آلییک ارتباط طبیعی بین ساختار و خواص آشکار می شود. یک شیمیدان با تجربه اغلب می تواند در مورد خواص و عملکرد آن بر اساس طرح ساخت یک ترکیب نتیجه گیری کند.
کربن همچنین می تواند با هیدروژن ترکیباتی تشکیل دهد که حاوی هیدروژن کمتری نسبت به آلکان ها هستند. مثلا، ترکیب کلیاتیلن (اتن) -C2H4، یعنی حاوی دو اتم هیدروژن کمتر از اتان است. در اینجا یک پیوند دوگانه بین هر دو اتم کربن تشکیل می شود و هر دو اتم در وضعیت متفاوتی نسبت به آلکان ها هستند، زاویه پیوند چهار وجهی نیست (109 درجه 28) - 120 درجه است.
برای ساختن مولکول اتیلن، باید اتم های کربن را با پیوند دوگانه از جعبه مدل برداریم (شکل 4).
در استیلن (اتین C2H2) دو اتم کربن با پیوند سه گانه وجود دارد که زاویه پیوند 180 درجه است. با استفاده از اتم های کربن به شکل نیمکره های متناظر، مدلی از مولکول استیلن خواهیم ساخت (شکل 4).
ترکیبات حلقوی، به عنوان مثال سیکلوآلکواها (سیکلوپارافین)، مانند سیکلوپنتان و سیکلوهگزان، که نمایندگان نفتن های ذکر شده قبلی هستند، از اهمیت زیادی برخوردار هستند.
مهمترین ترکیب در میان ترکیبات حلقوی معطر، بنزن است. شیمیدانان قرن گذشته برای مدت طولانی متعجب بودند که چگونه ماده ای که با ترکیب SVN مطابقت دارد ساخته شده است. این ترکیب آشکارا غیر اشباع است، اما رفتار آن کاملا متفاوت از اتیلن، پروپیلن یا استیلن است. بینشی به A. Kekule رسید. می گویند در خواب دید که مار دم خود را گاز می گیرد. او ساختار حلقه 26 مولکول بنزن را اینگونه تصور کرد.
فرمول در بهترین حالت با برهمکنش (وضعیت) ویژه پیوندهای بنزن با استفاده از دایره ای در شش ضلعی مطابقت دارد؛ این فرمول بیان می کند که سه جفت الکترون حلقه بنزنمتحد در یک جنس واحد. برای درک واضح تر، در شکل. شکل 4 یک مدل نیمکره ای از بنزن را نشان می دهد.

در مورد مولکول‌های هم‌هسته‌ای، ما ترکیب $AO$ را با استفاده از قاعده‌ای انجام دادیم که بر اساس آن اوربیتال‌های هم‌انرژی قوی‌ترین تعامل را دارند. در مولکول‌های ناهم‌هسته‌ای از نوع $AB$، سطح انرژی اتم‌های $A$ و $B$ یکسان نیست، بنابراین نمی‌توان بدون ابهام گفت که کدام اوربیتال‌ها با هم ترکیب می‌شوند. برای $LiH$ این در شکل نشان داده شده است. 1.

شکل 1. سطوح انرژی $AO$، $Li$ و $H$

چند اتمی ذرات شیمیایی(مولکول ها، رادیکال ها، یون ها) با کل فرمول مولکولی$B_n$ حاوی یک اتم مرکزی $A$، دو یا چند اتم پایانی $B$ و در نتیجه فقط $A-B \sigma $ اوراق قرضه.

شکل هندسیذرات $AB_n$ از روش مشتق شده است اوراق قرضه ظرفیت، یعنی از آرایش استریوشیمیایی محورهای اوربیتالهای هیبریدی ظرفیتی اتم مرکزی $A$ و در نتیجه $\sigma $-باندهای $A-B$.

اوربیتال‌های ترکیبی به درک ساختار فضایی مولکول‌ها کمک می‌کنند، برای مثال، چرا مولکول آب دارای پیکربندی زاویه‌ای است، آمونیاک دارای پیکربندی هرمی و متان دارای پیکربندی چهار وجهی است.

در نظر گرفتن رابطه بین هیبریداسیون و شکل مولکولی

بریلیم هیدرید، $BeH_2$، ساختار خطی دارد. برای ساختن اوربیتال‌های مولکولی پیوند موضعی آن، ابتدا دو اوربیتال ظرفیت معادل از اتم $Be$ تشکیل می‌شود که به ترتیب به سمت دو اتم هیدروژن، $H_a$ و $H_b$ هدایت می‌شوند. این امر با هیبریداسیون، یا مخلوط کردن (ایجاد ترکیب خطی) اوربیتال های $2s-$ و $2p$ از $Be$ انجام می شود، که منجر به دو اوربیتال معادل "$sp$-hybrid" می شود. یکی از این اوربیتال های ترکیبی، $sp_a$، به سمت اتم $H_a$ هدایت شده و به شدت با اوربیتال $1s_a$ همپوشانی دارد. اوربیتال هیبریدی دیگر، $sp_b$، به سمت اتم $H_b$ هدایت شده و به شدت با اوربیتال $1s_b$ همپوشانی دارد. با این خط استدلال، دو اوربیتال مولکولی پیوندی $BeH_2$ با ساخت دو معادل به دست می‌آیند. ترکیبات خطیکه هر کدام بین دو اتم قرار دارند:

این اوربیتال‌های مولکولی موضعی در شکل نشان داده شده‌اند. 2. آنها شامل چهار الکترون ظرفیتی هستند که دو جفت الکترون پیوندی موضعی را تشکیل می دهند که مطابق با ساختار پیوند لوئیس برای $BeH_2$ است. هر یک از اوربیتال‌های هیبریدی $sp$-خطی نصف کاراکتر $p$ و نیمی از کاراکتر $s$ است، و دو اوربیتال $sp$ به اتم مرکزی $Be$ در $BeH_2$ اجازه می‌دهند تا دو اتم هیدروژن را به خود متصل کند.

حال مولکول $BH_3$ را در نظر بگیرید (که در آزمایشات طیف سنجی جرمی مشاهده می شود و قطعه ای از مولکول $B_2H_6$ است). در این مولکول سه اتم هیدروژن به اتم بور مرکزی متصل است. با توجه به تئوری محلی سازی اوربیتال های مولکولی، پیوند در این مولکول در نتیجه هیبریداسیون اوربیتال $2s$ و دو اوربیتال $2p$ اتم بور با تشکیل سه اوربیتال هیبریدی $sp^2$ معادل به وجود می آید. هر اوربیتال هیبریدی یک سوم $s$-character و دو سوم $p$-character است. از آنجایی که هر دو اوربیتال $p$-در یک صفحه قرار دارند و اوربیتال $s$- جهت مکانی ندارد، سه اوربیتال هیبریدی $sp^2$ در یک صفحه قرار دارند. این سه اوربیتال هیبریدی $sp^2$، که با سه اوربیتال $1s$ هیدروژن همپوشانی دارند، سه اوربیتال پیوند موضعی معادل را تشکیل می‌دهند. هر یک از این اوربیتال های پیوندی $(sp^2+1s)$ در مولکول $BH_3$ توسط یک جفت الکترون اشغال شده است، همانطور که در شکل شماتیک نشان داده شده است. 4. بر اساس مفهوم اوربیتال های ترکیبی، می توان پیش بینی کرد که مولکول $BH_3$ باید ساختار مثلثی مسطح داشته باشد. زاویه بین محورهای بین هسته ای $H-B-H$ که زاویه پیوند $H-B-H$ نامیده می شود، باید 120$^\circ$ باشد.

شکل 2. پیوند جفت الکترون ها بر روی پیوندهای موضعی مولکول $BeH_2$ که با مشارکت اوربیتال های هیبریدی معادل $sp$ اتم $Be$ تشکیل شده است. هر اوربیتال $sp$ از $Be$ یک اوربیتال مولکولی پیوند موضعی با اوربیتال $1s$ اتم هیدروژن تشکیل می دهد.

شکل 3. همپوشانی متقابل اوربیتال ها. اوربیتال های ترکیبی: a - همپوشانی اوربیتال های $s$. b - همپوشانی اوربیتال های $s-$. ج - همپوشانی اوربیتالهای $p-$. r - $p$-اوربیتال هیبریدی. d - $sp^2$-اوربیتالهای ترکیبی. e - $sp^3$-اوربیتال های ترکیبی

شکل 4. جفت های الکترون به اشتراک گذاشته شده در پیوندهای محلی شده در $BH_3$

متان، $CH_4$، دارای چهار اتم هیدروژن معادل است که به اتم کربن مرکزی متصل هستند. برای پیوند با چهار اتم هیدروژن، کربن باید از تمام اوربیتال های ظرفیت خود استفاده کند. با هیبریداسیون یک اوربیتال $2s-$ و سه $2p$، چهار اوربیتال هیبریدی $sp^3$ معادل می توان بدست آورد. هر اوربیتال هیبریدی $sp^3$ یک چهارم $s$-character و سه چهارم $p$-character است. هر چهار اوربیتال $sp^3$ به سمت رئوس یک چهار وجهی منظم هدایت می‌شوند، بنابراین اوربیتال‌های $sp^3$ گاهی اوقات هیبریدهای چهار وجهی نامیده می‌شوند. در نتیجه همپوشانی هر اوربیتال هیبریدی $sp^3$ با اوربیتال $1s-$ اتم هیدروژن، چهار اوربیتال پیوندی موضعی تشکیل می‌شود. بهترین همپوشانی بین اوربیتال های $sp^3$ و $1s$ با قرار دادن چهار اتم هیدروژن در راس یک چهار وجهی منظم به دست می آید، همانطور که در شکل نشان داده شده است. 5 (جایی که مکعبی به تصویر کشیده شده است که رئوس متناوب آن رئوس چهار وجهی مذکور را تشکیل می دهد). مولکول متان دارای هشت الکترون ظرفیتی است (4 الکترون از اتم کربن و یکی از هر یک از چهار اتم هیدروژن) که باید در چهار اوربیتال پیوندی موضعی قرار گیرند. این هشت الکترون چهار جفت الکترون پیوند موضعی معادل را تشکیل می دهند که به صورت شماتیک در شکل 1 نشان داده شده است. 5.

ساختار مولکول $CH_4$ توسط مختلف تعیین شد روش های تجربی. تمام داده‌های به‌دست‌آمده منجر به نتیجه‌گیری در مورد ساختار چهار وجهی مولکول $CH_4$ می‌شود (شکل 6)، در تطابق کامل با پیش‌بینی‌های تئوری اوربیتال‌های مولکولی موضعی. زاویه پیوند$H-C-H$ 109.5 $^\circ$ و طول اوراق $C-H$ $1.093 A$ است.

شکل 5. جفت های الکترون به اشتراک گذاشته شده در پیوندهای موضعی در $CH_4$

شکل 6. ساختار مولکولی چهار وجهی $CH_4$

ادامه ابتدا را در № 15, 16/2004

درس 5. هیبریداسیون
اوربیتال های اتمی کربن

یک پیوند شیمیایی کووالانسی با استفاده از جفت‌های الکترون پیوند مشترک مانند:

یک پیوند شیمیایی تشکیل دهید، یعنی. فقط الکترون های جفت نشده می توانند یک جفت الکترون مشترک با یک الکترون "خارجی" از اتم دیگر ایجاد کنند. هنگام نوشتن فرمول های الکترونیکی، الکترون های جفت نشده یکی یکی در یک سلول مداری قرار می گیرند.
اوربیتال اتمیتابعی است که چگالی ابر الکترونی را در هر نقطه از فضای اطراف هسته اتم توصیف می کند. ابر الکترونی ناحیه ای از فضا است که در آن می توان الکترون را با احتمال زیاد تشخیص داد.
برای تایید ساختار الکترونیکیاتم کربن و ظرفیت این عنصر از مفهوم تحریک اتم کربن استفاده می کند. در حالت عادی (تحریک نشده)، اتم کربن دارای دو 2 جفت نشده است آر 2 الکترون در حالت برانگیخته (هنگامی که انرژی جذب می شود) یکی از 2 س 2 الکترون می توانند آزاد شوند آر- مداری سپس چهار الکترون جفت نشده در اتم کربن ظاهر می شوند:

به یاد بیاوریم که در فرمول الکترونیکی یک اتم (مثلاً برای کربن 6 C – 1 س 2 2س 2 2پ 2) اعداد بزرگ در جلوی حروف - 1، 2 - نشان دهنده تعداد سطح انرژی است. نامه ها سو آرشکل ابر الکترونی (اوربیتال) را نشان می دهد و اعداد سمت راست بالای حروف تعداد الکترون های یک اوربیتال معین را نشان می دهد. همه س-اوربیتال های کروی:

در مورد دوم سطح انرژیبه جز 2 س-سه اوربیتال وجود دارد 2 آر-اوربیتال ها این 2 آر-اوربیتال ها شکلی بیضوی دارند، شبیه به دمبل، و در فضا با زاویه 90 درجه نسبت به یکدیگر جهت گرفته اند. 2 آر-اوربیتال ها 2 را نشان می دهند p x, 2p yو 2 p zمطابق با محورهایی که این مدارها در امتداد آن قرار دارند.

هنگامی که پیوندهای شیمیایی تشکیل می شود، اوربیتال های الکترونی شکل یکسانی پیدا می کنند. بنابراین، در هیدروکربن های اشباع شدهیکی را مخلوط کنید س- مداری و سه آر- اوربیتال های اتم کربن به شکل چهار یکسان (هیبرید) sp 3-اوربیتال ها:

این - sp 3-هیبریداسیون
هیبریداسیون- هم ترازی (اختلاط) اوربیتال های اتمی ( سو آر) با تشکیل اوربیتال های اتمی جدید به نام اوربیتال های ترکیبی.

اوربیتال های هیبریدی شکلی نامتقارن دارند که به سمت اتم متصل کشیده شده اند. ابرهای الکترونی یکدیگر را دفع می کنند و تا حد امکان در فضا قرار دارند. در این مورد، محورهای چهار sp 3-اوربیتال های ترکیبیمعلوم می شود که به سمت رئوس چهار وجهی (هرم مثلثی منظم) هدایت می شود.
بر این اساس، زوایای بین این اوربیتال ها چهار وجهی، برابر با 109 درجه 28 اینچ است.
رئوس اوربیتال های الکترونی می توانند با اوربیتال های اتم های دیگر همپوشانی داشته باشند. اگر ابرهای الکترونی در امتداد خطی که مراکز اتم ها را به هم متصل می کند همپوشانی داشته باشند، چنین پیوند کووالانسی نامیده می شود. sigma()-connection. به عنوان مثال، در مولکول اتان C 2 H 6، یک پیوند شیمیایی بین دو اتم کربن با همپوشانی دو اوربیتال هیبریدی تشکیل می شود. این یک ارتباط است. علاوه بر این، هر یک از اتم های کربن با سه خود sp 3-اوربیتال ها با هم همپوشانی دارند ساوربیتال های سه اتم هیدروژن، تشکیل سه پیوند.

در مجموع، سه حالت ظرفیت با انواع مختلف هیبریداسیون برای یک اتم کربن امکان پذیر است. بجز sp 3-هیبریداسیون وجود دارد sp 2 - و sp-هیبریداسیون
sp 2 -هیبریداسیون- مخلوط کردن یکی س- و دو آر-اوربیتال ها در نتیجه سه هیبرید تشکیل می شود sp 2-اوربیتال ها اینها sp 2-اوربیتال ها در یک صفحه قرار دارند (با محور ایکس, در) و به سمت رئوس مثلث با زاویه بین اوربیتال های 120 درجه هدایت می شوند. هیبرید نشده
آر-اوربیتال عمود بر صفحه سه هیبرید است sp 2-اوربیتال ( جهت گیری در امتداد محور z). نیمه بالایی آر-اوربیتال ها بالای صفحه قرار دارند، نیمه پایینی زیر صفحه است.
تایپ کنید spهیبریداسیون 2 کربنی در ترکیبات با پیوند دوگانه رخ می دهد: C=C، C=O، C=N. علاوه بر این، تنها یکی از پیوندهای بین دو اتم (مثلاً C=C) می تواند پیوند - باشد. (سایر اوربیتال های پیوند اتم در جهت مخالف هستند.) پیوند دوم در نتیجه همپوشانی غیر هیبریدی تشکیل می شود. آراوربیتال ها در دو طرف خط اتصال هسته اتم.

پیوند کووالانسی از همپوشانی جانبی ایجاد می شود آر-اوربیتال های اتم های کربن همسایه نامیده می شود pi() -اتصال.

تحصیلات -ارتباطات

به دلیل همپوشانی مداری کمتر، پیوند - از - باند استحکام کمتری دارد.
sp-هیبریداسیون- این اختلاط (تراز در شکل و انرژی) یک است s-و یکی
آر-اوربیتال ها دو هیبرید را تشکیل می دهند sp-اوربیتال ها sp-اوربیتال ها در یک خط قرار دارند (با زاویه 180 درجه) و در جهت مخالف از هسته اتم کربن هستند. دو
آر-اوربیتال ها بدون هیبرید باقی می مانند. آنها به صورت عمود بر یکدیگر قرار می گیرند
جهت اتصالات روی تصویر sp-اوربیتال ها در امتداد محور نشان داده شده اند y، و دو هیبرید نشده
آر-اوربیتال ها - در امتداد محورها ایکسو z.

یک پیوند سه گانه کربن-کربن CC از یک پیوند تشکیل شده است که از همپوشانی ایجاد می شود
sp-اوربیتال های ترکیبی و دو پیوند.
رابطه بین پارامترهای اتم کربن مانند تعداد گروه های متصل، نوع هیبریداسیون و انواع پیوندهای شیمیایی تشکیل شده در جدول 4 نشان داده شده است.

جدول 4

پیوندهای کربن کووالانسی

تعداد گروه ها مربوط با کربن	تایپ کنید هیبریداسیون	انواع شرکت کننده پیوندهای شیمیایی	نمونه هایی از فرمول های ترکیبی
4	sp 3	چهار - اتصالات
3	sp 2	سه - اتصالات و یک - اتصال
2	sp	دو - اتصالات و دو - اتصالات	H–CC–H

تمرینات.

1. کدام الکترون های اتم (مثلاً کربن یا نیتروژن) جفت نشده نامیده می شوند؟

2. مفهوم "جفت الکترون مشترک" در ترکیبات با پیوند کووالانسی به چه معناست (به عنوان مثال، CH 4 یا H 2 S )?

3. چه حالت های الکترونیکی اتم ها (مثلاً C یان ) اساسی نامیده می شوند و کدام هیجان زده می شوند؟

4. اعداد و حروف در فرمول الکترونیکی یک اتم به چه معناست (مثلاً C یان )?

5. اوربیتال اتمی چیست؟ در سطح انرژی دوم اتم C چند اوربیتال وجود دارد؟ و چه تفاوتی با هم دارند؟

6. اوربیتال های ترکیبی چه تفاوتی با اوربیتال های اولیه ای دارند که از آنها تشکیل شده اند؟

7. چه انواع هیبریداسیون برای اتم کربن شناخته شده است و از چه چیزی تشکیل شده است؟

8. کشیدن یک عکس آرایش فضاییاوربیتال های یکی از حالت های الکترونیکی اتم کربن.

9. به چه پیوندهای شیمیایی می گویند و چی? مشخص كردن-و-اتصالات در اتصالات:

10. برای اتم های کربن ترکیبات زیر، نشان دهید: الف) نوع هیبریداسیون. ب) انواع پیوندهای شیمیایی آن؛ ج) زوایای پیوند.

پاسخ تمرینات مبحث 1

درس 5

1. الکترون هایی که یک به یک در یک اوربیتال قرار دارند نامیده می شوند الکترون های جفت نشده. به عنوان مثال، در فرمول پراش الکترون یک اتم کربن برانگیخته چهار الکترون جفت نشده وجود دارد و اتم نیتروژن دارای سه الکترون است:

2. دو الکترون در تشکیل یک الکترون دخیل هستند پیوند شیمیایی، تماس گرفت جفت الکترون مشترک. به طور معمول، قبل از تشکیل یک پیوند شیمیایی، یکی از الکترون های این جفت متعلق به یک اتم و الکترون دیگر متعلق به اتم دیگری بود:

3. حالت الکترونیکی اتم که در آن ترتیب پر شدن اوربیتال های الکترونی رعایت می شود: 1 س 2 , 2س 2 , 2پ 2 , 3س 2 , 3پ 2 , 4س 2 , 3د 2 , 4پ 2 و غیره نامیده می شوند شرایط زمینه ای. که در حالت هیجانییکی از الکترون های ظرفیت اتم یک اوربیتال آزاد با انرژی بالاتر را اشغال می کند؛ چنین انتقالی با جداسازی الکترون های زوجی همراه است. به صورت شماتیک به این صورت نوشته شده است:

در حالی که در حالت پایه فقط دو الکترون ظرفیتی جفت نشده وجود داشت، در حالت برانگیخته چهار الکترون از این قبیل وجود دارد.

5. اوربیتال اتمی تابعی است که چگالی ابر الکترونی را در هر نقطه از فضای اطراف هسته یک اتم مشخص می کند. در سطح انرژی دوم اتم کربن چهار اوربیتال وجود دارد - 2 س, 2p x, 2p y, 2p z. این اوربیتال ها متفاوت هستند:
الف) شکل ابر الکترونی ( س- توپ، آر- دمبل)؛
ب) آراوربیتال ها جهت گیری های متفاوتی در فضا دارند - در امتداد محورهای متقابل عمود بر هم ایکس, yو z، تعیین شده اند p x, p y, p z.

6. اوربیتال های ترکیبی از نظر شکل و انرژی با اوربیتال های اصلی (غیر هیبریدی) متفاوت هستند. مثلا، س- مداری - شکل یک کره، آر- شکل متقارن هشت، spاوربیتال هیبریدی – نامتقارن شکل هشت.
تفاوت انرژی: E(س) < E(sp) < E(آر). بدین ترتیب، sp-orbital - مداری که از نظر شکل و انرژی به طور میانگین بدست می آید که از مخلوط کردن اوربیتال اصلی بدست می آید س- و پ-اوربیتال ها

7. برای یک اتم کربن، سه نوع هیبریداسیون شناخته شده است: sp 3 , sp 2 و sp (متن درس 5 را ببینید).

9. -ارتباط - پیوند کووالانسی، از همپوشانی پیشانی اوربیتال ها در امتداد خطی که مراکز اتم ها را به هم وصل می کند تشکیل شده است.
پیوند - پیوند کووالانسی که از همپوشانی جانبی تشکیل می شود آراوربیتال ها در دو طرف خطی که مراکز اتم ها را به هم متصل می کند.
-پیوندها با خط دوم و سوم بین اتم های متصل نشان داده می شوند.