Гибридизация атома углерода

Валентность углерода.

Атом углерода в основном состоянии, валентность его равна II

В органических соединениях мы его таким не встретим.

В органических веществах углерод всегда находится в возбужденном состоянии. И соответственно, всегда четырехвалентен:

В образовании химических связей участвуют электронные облака (орбитали). И как можно видеть по диаграмме энергия 2s электрона ниже, чем 3p электронов:

следовательно, энергия у 2s электрона должна быть ниже, чем у 3p электронов. Следовательно, и связи, образуемые электронами с разной энергией должны быть разными по энергии. Но, посмотрим на молекулу метана:

Все связи в нем одинаковы, по энергии, длине и прочим свойствам. Почему? По 50 годов прошлого века этому дал объяснение американский ученый Карл Лайнус Полинг. За свои исследования в области изучения природы химических связей он был удостоен Нобелевской Премии.

Причиной всему гибридизация. Гибридизация – это смешивание электронных орбиталей и выравнивание их по энергии, форме и другим параметрам. И этот процесс может идти по-разному.

sp³-гибридизация.

У атома углерода на последнем энергетическом уровне была одна 2s-орбиталь и три 2p-орбитали

Эти четыре орбитали «смешиваются» и становятся совершенно одинаковыми. И они уже не одна s и три p, а четыре одинаковые, называемые sp-орбиталями:

Энергия орбиталей стала одинаковой. Одинаковой стала и форма орбиталей. Вспомним, что форма s-орбиталей (), форма p-орбиталей (). Когда орбитали смешиваются (происходит гибридизация), они приобретают форму ()

Атом углерода, у которого смешались одна 2s-орбиталь и три 2p-орбитали называется атом углерода в состоянии sp³ гибридизации. Число «3» над p означает, что в гибридизации участвуют три p-орбитали. Вот как раз в метане атом углерода находится в состоянии sp³ гибридизации.

sp-орбитали располагаются вокруг ядра атома углерода таким образом, что угол между ними становится равным 109˚28’. Если соединить «верхушки» этих орбиталей, получится тетраэдр.

Вот на верхушках этих орбиталей происходит образование химической связи.

Связь C–C (атомов углерода в состоянии sp³ гибридизации):

Перекрытие орбиталей – это и есть химическая связь. У молекулы метана углерод связан с атомом водорода.

У атома водорода всего одна орбиталь 1s , имеющая форму ().

Каждая sp орбиталь атома углерода пересекается с орбиталью водорода.

Такая связь, образованная перекрыванием sp орбитали какой-либо другой орбитали, называется σ(сигма) связь. Если провести прямую через ядра атомов, связанных σ-связью, то область перекрывания орбиталей будет лежать на ней:

Атом углерода в состоянии sp³-гибридизации образует только одинарные связи. Он образует 4 σ-связи (на рисунке выше – видно: каждый атом углерода связан с тремя атомами водорода и соседним атомом углерода).

Атом углерода в состоянии sp³-гибридизации образует четыре одинарные связи:

sp²-гибридизация.

У атома углерода могут смешаться  не все орбитали. Скажем, если смешаются 2s и только ДВЕ 2p орбитали, а последняя третья 2p-орбиталь остается нетронутой:

Таким образом, у атома углерода будут три sp орбитали (), и одна p оставшаяся нетронутой, сохранившая свою первоначальную форму: ().

Такой атом углерода, у которого смешались не все орбитали, а только 2s и ДВЕ 2p, а третья 2p осталась, называется атом углерода в состоянии sp² гибридизации. Число «2» над p означает, что только две p орбитали участвуют в смешении.

Как располагаются эти орбитали вокруг ядра атома углерода? Три гибридных орбиталей sp располагаются в одной плоскости, и между орбиталями будет одинаковый угол 120˚:

Оставшаяся же нетронутой p-орбиталь располагается поперек перпендикулярно этой плоскости:

Давайте рассмотрим, как связываются друг с другом два атома углерода в состоянии sp² гибридизации. Как мы видим, происходит пересечение гибридных sp-орбиталей соседних атомов, то есть образуется одна σ-связь. Но так же мы видим, что остались ни с кем не связанные p-орбитали соседних атомов. Между ними возникает связь. p-орбиталь одного атома как бы перекрывается сбоку с p-орбиталью второго атома. Связь, образованная между негибридными (сохранившими свою форму) p-орбиталями, за счет бокового перекрытия называется π-связью.

Область перекрывания орбиталей находится над и под плоскостью, в которой лежат гибридные sp-орбитали. Орбитали пересекаются в двух местах, но связь образуют одну.

Получается два атома в sp² гибридизации связаны друг с другом одной σ-связью, и одной π-связью. Получается двойная связь. Двойная связь – это сочетание одной π и одной σ связей.Главной в ней является σ-связью, π-связь сопровождает ее.

Атом углерода в sp²-гибридизации образует одну π-связь и три σ-связь. Одна σ-связь вместе с π-связью образует двойную связь, с помощью двух оставшихся σ-связей атомы углерода, между которыми двойная связь, связывается с другими атомами.

Например, этен (этилен):

Что мы видим? Атомы углерода соединены двойной связью (сочетание σ и π связей) и каждый из них связан двумя одинарными связями (σ-связями) с атомами водорода:

Молекула выглядит вот так:

Обратите внимание. Что угол между связями одного атома водорода одинаковый и равен 120˚. (Так как произошла гибридизация).

Атом углерода в состоянии sp²-гибридизации образует две одинарные и одну двойную связь:

sp-гибридизация.

И наконец, если в атоме углерода смешаются только 2s-орбиталь и ОДНА 2p-орбиталь, а две 2p-орбитали остаются нетронутыми:

Такое состояние называется Sp-гибридизация. Так как смешивается ОДНА s-орбиталь и ОДНА p-орбиталь. Как эти орбитали располагаются вокруг атомного ядра?

sp-смешанные орбитали располагаются на одной прямой друг напротив друга, между ними угол 180˚ (для наглядности sp-гибридные орбитали изображены разным цветом):

Две оставшиеся несмешанные p-орбитали располагаются перпендикулярно этой прямой и перпендикулярно относительно друг другу:

Как связываются друг с другом атомы углерода в состоянии sp-гибридизации? Между sp-орбиталями (рисунок) соседних атомов образуется σ-связь. Две p-орбиталей одного атома связываются с двумя p-орбиталями другого атома. Получается две π-связи.

Получается тройная связь. Тройная связь – это сочетание одной σ-связи и двух π-связей.

Возьмем, к примеру, этин (этилен): H–C≡C–H. Что мы видим? Атомы углерода соединены тройной связью (сочетание σ-связи и двух π связей) и каждый из них связан с одной одинарной связью (σ-связью) с атомом водорода. Так как угол между гибридными sp-орбиталями равен 180˚, то и угол между тройной связью С≡C и одинарной связью с водородом так же равна 180˚. Вся молекула этина лежит вдоль одной прямой:

Молекула выглядит вот так:

Атом углерода в состоянии sp-гибридизации образует одну тройную и одну одинарную связь:

Особый случай.

Особый случай когда атом С образует около себя две двойных связей: . Определим его гибридизацию: двойная связь – это одна σ-связь и одна π-связь. У этого атома две таких связи. Следовательно у этого атома углерода в общем две σ-связи и две π-связи. Это характерно для sp-гибридизации. Да, у этого атома смешиваются 2s-орбиталь и ОДНА p-орбиталь. Две нетронутые p-орбитали образуют каждая по одной π-связи: только в отличие от тройной связи, где π-связи находятся по одну сторону от атома, здесь каждая π-связь смотрит в свою сторону:

Атом углерода в состоянии sp-гибридизации может образовывать так же две двойных связей:

Поэтому и угол между этими связями будет 180˚, так как атом в sp-гибридизации.

Итоги:

1. Гибридизация – это смешение электронных орбиталей, выравнивание их по всем параметрам (длина, энергия и т.д.)
2. 

3. σ-связь образуется гибридными sp-орбиталями π-связь образуется негибридными p-орбиталями

4. σ-связь – главная, π-связь может быть только вместе с σ-связью.
5. Углерод всегда находится в одном из гибридных состояний (sp³, sp², sp).