"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Атом углерода образует прочные ковалентные связи, но они направлены в пространстве по-разному. Чтобы описать направления связей и объяснить форму молекул, используют модель гибридизации: атомные орбитали как бы смешиваются, образуя новые, равноценные орбитали. В зависимости от их числа различают sp³-, sp²- и sp-гибридизацию. Она связана с геометрией молекулы, а также с тем, как устроены одинарные, двойные и тройные связи.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Гибридизация — смешение атомных орбиталей углерода с образованием равноценных гибридных орбиталей. Это не буквальное перемешивание частиц, а модель, которая помогает описать, почему связи атома направлены в пространстве определённым образом. Благодаря ей можно объяснить форму молекул и углы между связями.
σ-связь — ковалентная связь, возникающая при перекрывании орбиталей вдоль оси, соединяющей ядра атомов. Электронная плотность сосредоточена вокруг этой оси, поэтому такая связь может возникать между гибридными орбиталями или между гибридной и другой орбиталью. σ-связь образует основу любой одинарной связи.
π-связь — ковалентная связь, возникающая при боковом перекрывании негибридных p-орбиталей. Электронная плотность располагается по обе стороны от линии между ядрами, а не вдоль неё. Это понятие нужно, чтобы объяснить, из чего состоят двойные и тройные связи.
Гибридные орбитали sp³, sp² и sp — орбитали, образующиеся при разных вариантах гибридизации атома углерода. Верхние цифры показывают, какие исходные орбитали участвуют в смешении: s- и p-орбитали. Обозначения помогают связать строение атома с числом направлений связей и геометрией молекулы.
У атома углерода шесть электронов: два находятся на первом энергетическом уровне, а четыре — на внешнем. Эти четыре валентных электрона участвуют в образовании ковалентных связей, поэтому углерод обычно образует четыре связи. Однако простого подсчёта электронов недостаточно, чтобы объяснить направления связей: для этого используют модель гибридизации, которая описывает удобное для связывания расположение орбиталей.
При sp³-гибридизации смешиваются одна s- и три p-орбитали, поэтому образуются четыре одинаковые гибридные орбитали. Если бы они располагались близко друг к другу, их электронные облака сильнее отталкивались бы. Поэтому орбитали направлены к вершинам тетраэдра, где расстояние между ними максимально; угол между направлениями составляет около 109,5°. Так объясняется пространственная форма, например, молекулы метана.
При sp²-гибридизации смешиваются одна s- и две p-орбитали, образуя три гибридные орбитали. Они располагаются в одной плоскости под углами около 120°, поскольку такое расположение уменьшает их взаимное отталкивание. Одна p-орбиталь остаётся негибридной и направлена перпендикулярно этой плоскости. Она может боковым перекрыванием с p-орбиталью соседнего атома образовать π-связь, например в двойной связи этена.
При sp-гибридизации смешиваются одна s- и одна p-орбиталь, поэтому образуются две гибридные орбитали. Они направлены в противоположные стороны под углом 180°, что даёт линейное расположение связей около атома. Две p-орбитали остаются негибридными и могут участвовать в боковом перекрывании. Так у каждого атома углерода в тройной связи появляется возможность образовать две π-связи.
Кратность связи показывает, сколько электронных пар связывает два атома, но перекрывания у этих пар различаются. При одинарной связи орбитали перекрываются вдоль оси между ядрами, образуя одну σ-связь. В двойной связи к ней добавляется одна π-связь, а в тройной — две π-связи. Поэтому кратность нельзя понимать как несколько одинаковых σ-связей: дополнительные связи возникают за счёт бокового перекрывания p-орбиталей.
| Характеристика | sp³ | sp² | sp |
|---|---|---|---|
| Число гибридных орбиталей | 4 | 3 | 2 |
| Число негибридных p-орбиталей | 0 | 1 | 2 |
| Пространственное расположение связей | Тетраэдрическое | В одной плоскости | Линейное |
| Угол между связями | Около 109,5° | Около 120° | 180° |
| Типичный пример соединения | Метан CH₄ | Этен CH₂=CH₂ | Этин HC≡CH |
| Какие связи могут образовываться | σ-связи | σ- и π-связи | σ- и π-связи |
Сначала найдите в таблице число направлений связей вокруг нужного атома, затем сопоставьте его с гибридизацией и углом. Негибридные p-орбитали показывают, могут ли возникать π-связи. Тип гибридизации устанавливают для каждого атома углерода отдельно.
Условие. Определите тип гибридизации атома углерода и геометрию его связей в молекуле метана CH₄. Начнём с подсчёта связей: атом углерода соединён с четырьмя атомами водорода. Каждая связь C–H одинарная и образована одной σ-связью.
Ответ: атом углерода имеет sp³-гибридизацию, геометрия связей тетраэдрическая, угол около 109,5°.
Условие. Определите гибридизацию каждого атома углерода и число σ- и π-связей между ними. В молекуле два одинаково связанных атома углерода, соединённых двойной связью. Каждый из них также соединён с двумя атомами водорода.
Ответ: оба атома углерода имеют sp²-гибридизацию; между ними одна σ- и одна π-связь.
Условие. Определите гибридизацию каждого атома углерода, геометрию около атомов тройной связи и общее число σ- и π-связей. В структурной формуле три атома углерода: первый входит в CH₃, а второй и третий соединены тройной связью. Считать нужно все связи, включая C–H.
Ответ: атомы углерода имеют типы sp³, sp и sp; у атомов тройной связи линейная геометрия. В молекуле всего шесть σ-связей и две π-связи.
Ошибочно считать, что при гибридизации у атома появляются дополнительные электроны. Такое представление возникает из-за слова «смешение», но оно относится к орбиталям, а не к самим электронам. Гибридизация описывает их новые формы и направления, не меняя электронного числа атома. Проверка простая: электронный состав углерода остаётся прежним.
Двойную связь иногда представляют как две σ-связи, потому что видят два соединения между атомами на структурной схеме. Но σ-связь возникает при перекрывании вдоль оси, а вторая часть двойной связи образуется боковым перекрыванием p-орбиталей. Поэтому двойная связь состоит из одной σ- и одной π-связи. Для проверки примените такое же правило к тройной: там одна σ- и две π-связи.
Неверно называть π-связью перекрывание орбиталей вдоль линии между ядрами. Такое перекрывание характерно для σ-связи, а π-связь появляется при боковом перекрывании негибридных p-орбиталей. Путаница возникает, если не учитывать направление перекрывания. Сверьте его с определениями: вдоль оси — σ, сбоку — π.
Тип гибридизации нельзя определить один раз для всей молекулы по общему числу связей. В соединении могут соседствовать атомы углерода с разной гибридизацией, как в пропине. Ошибку допускают, когда рассматривают структурную формулу целиком, а не отдельные атомы. Проверяйте число областей связей вокруг каждого атома углерода по отдельности.
Для изучения темы нужны знания об электронном строении атома и валентных электронах: они участвуют в образовании связей. Также важно понимать ковалентную связь и то, как она возникает при перекрывании орбиталей. Эти представления помогают объяснить, почему гибридизация описывает направленность связей, а не меняет состав атома.
Гибридизация пригодится при изучении алканов, алкенов и алкинов: тип связи углерод–углерод связан с типом орбиталей и геометрией вокруг атомов. С её помощью легче разбирать пространственное строение органических молекул. Это, в свою очередь, помогает связывать строение вещества с его свойствами.
Что означает гибридизация орбиталей атома углерода?
Это модель, в которой орбитали атома углерода смешиваются и образуют новые равноценные орбитали с определёнными направлениями в пространстве. Она помогает объяснить геометрию молекул и углы между связями.
Как определить тип гибридизации атома углерода по структурной формуле?
Посчитайте области связей вокруг конкретного атома углерода: одинарная, двойная или тройная связь каждая считается одной областью. Четыре области соответствуют sp³, три — sp², две — sp. Тип определяют отдельно для каждого атома.
Чем σ-связь отличается от π-связи?
σ-связь возникает при перекрывании орбиталей вдоль линии между ядрами атомов. π-связь образуется при боковом перекрывании негибридных p-орбиталей; электронная плотность такой связи расположена по обе стороны от оси связи.
Почему двойная связь состоит из σ- и π-связи?
При двойной связи между атомами есть одно перекрывание орбиталей вдоль линии между ядрами — это σ-связь. Оставшиеся негибридные p-орбитали перекрываются сбоку и образуют π-связь.
Как гибридизация связана с формой молекулы и углами между связями?
Гибридные орбитали направлены так, чтобы находиться как можно дальше друг от друга, поэтому их расположение задаёт геометрию связей. Для sp³ характерна тетраэдрическая форма и угол около 109,5°, для sp² — плоское расположение и около 120°, для sp — линейное расположение и 180°.
§ 8. Химические связи с участием атома углерода
