§ 37. Электронное и пространственное строение углеводородов

Определения и обозначения

Углеводороды — органические вещества, состоящие только из атомов углерода и водорода. Их молекулы различаются тем, как соединены атомы и как связи расположены в пространстве. Поэтому для описания углеводородов важно знать не только состав, но и строение связей между атомами.

Гибридизация атомных орбиталей — смешение орбиталей атома углерода с образованием равноценных гибридных орбиталей. Это модель, которая помогает объяснить, почему связи направлены в определённые стороны и какую форму имеет участок молекулы. В теме рассматривают sp³-, sp²- и sp-гибридизацию.

σ-связь — связь, образованная перекрыванием орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра атомов. Такое перекрывание создаёт прочную связь на оси между атомами. Одинарная связь между атомами углерода является σ-связью.

π-связь — связь, возникающая при боковом перекрывании негибридных p-орбиталей. Электронная плотность такой связи расположена по обе стороны от линии между ядрами. π-связь входит в состав двойной и тройной связей, дополняя σ-связь.

Как это устроено

У углерода четыре электрона на внешнем энергетическом уровне, и в молекулах он обычно образует четыре ковалентные связи. Ковалентная связь возникает, когда атомы используют общие электронные пары. Способность соединяться сразу с несколькими атомами и образовывать цепи позволяет углероду создавать множество разных углеводородов. Атомы углерода могут связываться между собой одинарными, двойными и тройными связями, поэтому состав и форма молекул разнообразны.

При sp³-гибридизации одна s-орбиталь и три p-орбитали смешиваются, образуя четыре равноценные гибридные орбитали. Они сильнее отталкиваются друг от друга, если направлены максимально далеко, поэтому располагаются к вершинам тетраэдра. Угол между направлениями связей составляет примерно 109,5°. Такая геометрия характерна, например, для атомов углерода в этане: каждый из них соединён с тремя атомами водорода и вторым атомом углерода.

При sp²-гибридизации смешиваются одна s-орбиталь и две p-орбитали, поэтому образуются три гибридные орбитали. Они лежат в одной плоскости и направлены под углами около 120° друг к другу. Одна p-орбиталь не участвует в гибридизации и располагается перпендикулярно этой плоскости. Её боковое перекрывание с p-орбиталью соседнего атома создаёт π-связь, поэтому такая гибридизация характерна для углерода при двойной связи.

При sp-гибридизации смешиваются одна s-орбиталь и одна p-орбиталь; образуются две гибридные орбитали. Чтобы они меньше отталкивались, они направлены в противоположные стороны, образуя угол 180°. Две другие p-орбитали остаются негибридными и могут боковым перекрыванием образовать две π-связи. Так устроен участок с тройной связью, например в молекуле пропина.

Одинарная связь между атомами углерода состоит из σ-связи, электронная плотность которой расположена вдоль оси между ядрами. Вращение вокруг этой оси не разрушает σ-связь, поэтому части молекулы могут менять положение относительно друг друга. Двойная связь содержит ещё и π-связь, для которой важно боковое перекрывание p-орбиталей. При вращении это перекрывание нарушается, поэтому поворот вокруг двойной связи затруднён.

Гибридизация атомов углерода и строение углеводородов

Чтобы определить гибридизацию, сначала посмотрите, какие связи образует конкретный атом углерода, а затем сопоставьте их с признаками в таблице. Она показывает типичное соответствие: одинарным, двойным и тройным связям отвечают sp³-, sp²- и sp-гибридизация. Таблица описывает типичные случаи, поэтому учитывайте гибридизацию каждого атома отдельно.

Разбор задач

Этан: гибридизация и форма участка молекулы

Условие: определите гибридизацию атомов углерода и форму участка молекулы этана C₂H₆. В структурной формуле между атомами углерода одна одинарная связь, а каждый углерод связан ещё с тремя атомами водорода. Нужно определить тип орбиталей, участвующих в этих связях, и их пространственное расположение.

1. У каждого атома углерода четыре одинарные связи: три C—H и одна C—C. Такое окружение характерно для sp³-гибридизации.
2. Четыре гибридные орбитали направлены к вершинам тетраэдра. Поэтому связи около каждого атома углерода расположены под углами примерно 109,5°.
3. Связь C—C — σ-связь. Участок около каждого атома имеет тетраэдрическую форму, хотя вся молекула может менять форму при вращении вокруг связи C—C.

Ответ: оба атома углерода в этане имеют sp³-гибридизацию; их связи расположены тетраэдрически.

Этен: гибридизация и типы связей

Условие: определите гибридизацию атомов углерода и наличие σ- и π-связей в этене C₂H₄. Между атомами углерода в нём двойная связь, а каждый углерод соединён с двумя атомами водорода. Двойную связь нужно разобрать на составляющие и связать гибридизацию с формой участка молекулы.

1. У каждого атома углерода три направления связей: две связи C—H и связь с соседним углеродом. Это соответствует sp²-гибридизации и плоскому расположению связей.
2. В двойной связи C=C одна связь образована перекрыванием вдоль линии между ядрами, значит, это σ-связь. Вторая возникает при боковом перекрывании негибридных p-орбиталей и является π-связью.
3. Плоские участки вокруг атомов углерода согласуются друг с другом. π-связь не позволяет свободно вращать одну часть молекулы относительно другой.

Ответ: оба атома углерода имеют sp²-гибридизацию; двойная связь C=C включает одну σ-связь и одну π-связь, участок молекулы плоский.

Пропин: гибридизация атомов тройной связи

Условие: для пропина CH₃—C≡CH определите гибридизацию атомов углерода, составляющих тройную связь, и объясните форму участка. Важно рассматривать именно два атома, соединённые знаком ≡, а не автоматически приписывать такой тип всем атомам молекулы. Тройная связь состоит из нескольких связей разного типа.

1. У каждого из двух атомов тройной связи есть два направления связей: к соседнему углероду и к атому в тройной связи. Такое расположение соответствует sp-гибридизации.
2. Две гибридные орбитали направлены в противоположные стороны. Поэтому атомы C—C≡C—H на этом участке располагаются линейно, под углом 180°.
3. В тройной связи одна σ-связь образуется перекрыванием вдоль оси между ядрами. Две оставшиеся π-связи возникают при боковом перекрывании двух пар негибридных p-орбиталей.

Ответ: оба атома углерода тройной связи имеют sp-гибридизацию; участок молекулы линейный, тройная связь включает одну σ- и две π-связи.

Типичные ошибки

Ошибка: считать двойную связь двумя одинаковыми связями. Так думают, потому что в формуле видны две черты, но черты показывают число общих электронных пар, а не одинаковое устройство связей. В двойной связи одна часть — σ-связь, а другая — π-связь. Проверьте себя: двойное перекрывание вдоль оси между ядрами невозможно, второе перекрывание должно быть боковым.

Ошибка: принимать число гибридных орбиталей за число связей между двумя атомами. Четыре орбитали при sp³-гибридизации принадлежат одному атому углерода, а не одной паре атомов. Между двумя атомами углерода при одинарной связи образуется одна σ-связь. Проверка: считайте орбитали у отдельного атома и связи между конкретными атомами раздельно.

Ошибка: изображать участок с двойной связью свободно вращающимся. При таком вращении боковое перекрывание p-орбиталей, образующих π-связь, нарушается. Поэтому поворот вокруг двойной связи ограничен. Проверяйте, есть ли в связи π-составляющая: если есть, свободное вращение невозможно.

Ошибка: считать, что все атомы углерода в молекуле имеют одинаковую гибридизацию. Это предположение может возникнуть, если рассматривать молекулу целиком, не разбирая связи каждого атома. Гибридизация зависит от окружения конкретного атома: например, в пропине атом углерода группы CH₃ имеет sp³-гибридизацию, а атомы тройной связи — sp-гибридизацию. Чтобы не ошибиться, определите связи каждого атома отдельно.

Связь с другими темами

Для понимания строения углеводородов нужны знания о строении атома углерода, его валентных электронах и ковалентной связи. Валентные электроны участвуют в образовании общих электронных пар, а гибридизация помогает объяснить направления связей в молекуле. Эти понятия связывают электронное строение атома с формой вещества.

Представления о гибридизации помогают сравнивать алканы, алкены и алкины: в них встречаются одинарные, двойные и тройные связи. Строение связей влияет на пространственную форму молекулы и её способность к вращению. Поэтому электронное строение помогает объяснять различия в химических свойствах этих классов углеводородов.

Что запомнить

• Атом углерода может образовывать четыре ковалентные связи.
• При sp³-гибридизации связи направлены к вершинам тетраэдра.
• При sp²-гибридизации участок молекулы имеет плоское строение.
• При sp-гибридизации участок молекулы имеет линейное строение.
• Одинарная связь — σ-связь.
• Двойная связь включает одну σ-связь и одну π-связь.
• Тройная связь включает одну σ-связь и две π-связи.