§ 7. Электронное и пространственное строение алканов

Определения и обозначения

Гибридизация атомных орбиталей — смешение орбиталей одного атома с образованием равноценных гибридных орбиталей. При sp³-гибридизации одна s- и три p-орбитали превращаются в четыре одинаковые sp³-орбитали. Это объясняет, почему углерод в алканах образует четыре равноценные связи.

σ-связь — ковалентная связь, возникающая при перекрывании орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра атомов. Перекрывание происходит по межъядерной оси и создаёт электронную область между ядрами. Так образуются все одинарные связи C–H и C–C в алканах.

Тетраэдрическое строение — расположение четырёх связей атома углерода в пространстве, при котором они направлены к вершинам тетраэдра. Такое размещение делает направления связей максимально удалёнными друг от друга. Благодаря этому можно правильно представить форму метана и каждого фрагмента углеродной цепи.

Валентный угол — угол между направлениями двух связей, выходящих из одного атома. Для связей у sp³-гибридизованного углерода он близок к 109°28′. Эта величина помогает отличить пространственное тетраэдрическое строение от плоского или линейного.

Как это устроено

В свободном атоме углерода одна s- и три p-орбитали различаются по форме и направлению. При образовании связей в алкане они смешиваются, то есть гибридизуются, и дают четыре равноценные sp³-гибридные орбитали. Каждая орбиталь содержит неспаренный электрон и может участвовать в образовании одной ковалентной связи, поэтому четыре связи углерода становятся одинаковыми по типу.

Гибридные орбитали направлены к вершинам тетраэдра не случайно. Электронные пары, участвующие в связях, отталкиваются друг от друга и стремятся разойтись как можно дальше. Поэтому тетраэдрическая геометрия энергетически выгоднее плоского расположения четырёх связей, а угол между соседними направлениями составляет около 109°28′.

Связь C–H возникает при перекрывании sp³-орбитали углерода с 1s-орбиталью атома водорода. У связи C–C перекрываются две sp³-орбитали соседних атомов углерода. В обоих случаях перекрывание идёт вдоль линии между ядрами, поэтому образуются σ-связи с высокой электронной плотностью на межъядерной оси.

Углеродная цепь алкана не лежит на одной прямой, потому что две связи, выходящие из каждого атома углерода, образуют тетраэдрические углы. Последовательные атомы поэтому отклоняются от единого направления, и цепь выглядит зигзагообразной. Плоский рисунок структурной формулы показывает порядок соединения атомов, но не передаёт полностью их расположение в пространстве.

Одинарная связь C–C является σ-связью, поэтому её электронная плотность сохраняется при повороте атомных групп вокруг межъядерной оси. Такой поворот не требует разрыва связи, хотя разные положения молекулы могут немного отличаться по энергии. Поэтому один и тот же алкан способен существовать в виде разных мгновенных пространственных форм, называемых конформациями.

Электронное и пространственное строение связей в алканах

В первой строке таблицы указано, к какому типу относятся обе связи: это σ-связи. Следующая строка показывает, какие именно орбитали образуют связь, а направление перекрывания связывает электронное строение с геометрией молекулы. Последняя строка помогает понять, почему одинарная связь C–C допускает изменение взаимного положения частей алкана.

Разбор задач

Задача 1. Укажите тип гибридизации атомов углерода в молекуле метана и число образуемых ими связей.

Метан имеет формулу CH₄, поэтому один атом углерода соединён с четырьмя атомами водорода. Нужно определить, каким образом орбитали углерода обеспечивают эти связи. Затем следует назвать число связей, образованных одним атомом углерода.

1. В алканах, к которым относится метан, углерод использует sp³-гибридизацию. Одна s- и три p-орбитали образуют четыре равноценные sp³-орбитали.
2. Каждая гибридная орбиталь перекрывается с 1s-орбиталью водорода. Поэтому возникают четыре одинаковые σ-связи C–H.

Ответ: углерод в метане sp³-гибридизован и образует четыре σ-связи.

Задача 2. Объясните, почему молекула метана имеет тетраэдрическое строение, а не плоское.

В молекуле метана вокруг углерода находятся четыре связывающие электронные пары. Все они взаимно отталкиваются, поэтому нужно найти их наиболее удалённое расположение. Сравним возможные направления связей с результатом sp³-гибридизации.

1. При sp³-гибридизации образуются четыре равноценные орбитали. Они направлены к вершинам тетраэдра, а угол между соседними связями близок к 109°28′.
2. В плоском расположении связи находились бы ближе друг к другу, и отталкивание электронных пар было бы сильнее. Тетраэдрическая форма поэтому энергетически выгоднее и соответствует реальному строению метана.

Ответ: метан имеет тетраэдрическое строение, потому что четыре sp³-гибридные орбитали максимально удалены друг от друга.

Задача 3. Изобразите пространственное строение пропана, обозначив зигзагообразную цепь и σ-связи C–C.

Пропан имеет формулу C₃H₈ и содержит цепь из трёх атомов углерода. Каждый атом углерода в нём sp³-гибридизован, поэтому связи направлены под тетраэдрическими углами. Изобразить нужно прежде всего взаимное положение атомов C и связи между ними.

1. Расположите атомы углерода не на одной прямой, а ломаной линией: C₁–C₂–C₃. Такой рисунок передаёт зигзагообразный характер цепи.
2. Связи C₁–C₂ и C₂–C₃ обозначьте как σ-связи, поскольку каждая образована осевым перекрыванием двух sp³-орбиталей. Вокруг каждой из них можно мысленно повернуть одну углеродную группу относительно другой.

Ответ: пространственная цепь пропана имеет зигзагообразную форму, а обе связи C–C являются σ-связями и допускают вращение.

Типичные ошибки

Ошибка: считать атом углерода в алканах негибридизованным. Так иногда делают, потому что в основном состоянии атома орбитали s и p различаются, но тогда нельзя объяснить четыре равноценные связи. Проверьте себя: если связи C–H и C–C должны быть равноценными по типу, используйте sp³-гибридизацию.

Ошибка: изображать все связи атома углерода в одной плоскости. Причина — плоская запись структурной формулы удобна и часто принимается за реальную геометрию. Проверьте рисунок по углу: четыре связи должны быть направлены к вершинам тетраэдра, а не расходиться под углами 90° в одной плоскости.

Ошибка: путать тетраэдрический угол 109°28′ с углом 90°. Угол 90° характерен для некоторых плоских или пространственных схем, но не для четырёх равноценных связей sp³-углерода. Чтобы проверить себя, вспомните, что тетраэдрическое расположение максимально раздвигает четыре направления.

Ошибка: считать, что вращение вокруг связи C–C требует её разрыва. Такое представление возникает из-за привычки считать любую смену положения перестройкой молекулы. Проверьте себя: одинарная σ-связь сохраняет осевое перекрывание орбиталей при вращении и поэтому не разрывается.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома углерода, валентных электронах и образовании ковалентной связи. Именно эти представления позволяют объяснить появление четырёх гибридных орбиталей и σ-связей. Без них пространственная модель алканов сводится лишь к запоминанию формы.

Гибридизация и геометрия связей пригодятся при изучении алкенов, алкинов и других классов органических веществ. Сравнивая типы гибридизации, можно объяснять различия в направлениях связей и свойствах соединений. Поэтому sp³-гибридизация служит основой для дальнейшего изучения органической химии.

Пространственное строение помогает понимать, почему одна и та же молекула может принимать разные формы. Такие формы влияют на взаимное расположение атомов и некоторые свойства вещества. Позднее эти знания понадобятся при изучении пространственной изомерии и конформаций.

Что запомнить

• Атомы углерода в алканах находятся в состоянии sp³-гибридизации.
• У каждого атома углерода в алканах образуются четыре σ-связи.
• Связи вокруг атома углерода направлены к вершинам тетраэдра.
• Валентный угол у sp³-гибридизованного углерода близок к 109°28′.
• Углеродная цепь алкана имеет зигзагообразную пространственную форму.
• Вокруг одинарной связи C–C возможно вращение без её разрыва.