"Химия. Среднее профессиональное образование", Габриелян О.С., Остроумов И.Г.
Химические связи определяют форму, прочность и свойства органических молекул. Основой их строения служит ковалентная связь, возникающая за счёт общей электронной пары. Она может быть полярной или неполярной, а по способу перекрывания орбиталей — σ- или π-связью. Гибридизация углерода объясняет, почему атом образует четыре связи, как располагаются атомы в молекулах и почему одинарные, двойные и тройные связи ведут себя по-разному.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ковалентная связь — это связь, возникающая при образовании общей электронной пары атомов. Такая связь удерживает атомы в молекуле и задаёт её состав и строение. Именно ковалентные связи образуют устойчивый каркас большинства органических веществ.
Полярная и неполярная ковалентные связи различаются распределением общей электронной пары. В неполярной связи электроны принадлежат атомам почти поровну, а в полярной смещены к более электроотрицательному атому. Электроотрицательность показывает способность атома притягивать общие электроны.
σ-связь образуется при перекрывании атомных орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра атомов. Электронная плотность такой связи расположена между ядрами и обладает осевой симметрией. Это основа любой одинарной связи и первая связь в кратных связях.
π-связь возникает при боковом перекрывании орбиталей по разные стороны от линии между ядрами. Электронная плотность располагается над и под этой линией или по обе стороны от неё. π-связь появляется только вместе с σ-связью в двойных и тройных связях.
Общие электронные пары формируются из валентных электронов, то есть электронов внешнего слоя атома. Углерод имеет четыре таких электрона и может использовать их для образования четырёх общих пар. Поэтому в органических молекулах он соединяется с четырьмя атомами или образует несколько связей с меньшим числом соседей.
Разность электроотрицательностей показывает, насколько сильно атомы по-разному притягивают общую пару. Чем больше эта разность, тем сильнее электронная плотность смещается к одному атому и тем заметнее полярность связи. При близких значениях электроотрицательности смещение мало, поэтому связь считают неполярной или слабополярной.
При образовании σ-связи орбитали перекрываются навстречу друг другу вдоль линии между ядрами. Такое перекрывание обычно больше, чем боковое, поэтому σ-связь прочнее π-связи. Вокруг одинарной σ-связи соседние группы могут поворачиваться, потому что при вращении её осевое перекрывание сохраняется.
Одинарная связь состоит из одной σ-связи, двойная — из одной σ- и одной π-связи, а тройная — из одной σ- и двух π-связей. Дополнительные π-связи образуются боковым перекрыванием оставшихся негибридных орбиталей. Они усиливают общую связь, но одновременно ограничивают вращение частей молекулы.
Гибридизация — это образование равноценных гибридных орбиталей из исходных атомных орбиталей. При sp³-гибридизации четыре связи направлены к вершинам тетраэдра, при sp² три направления лежат в одной плоскости, а при sp два направления расположены на одной прямой. Так объясняются углы связей и различия между одинарными, двойными и тройными связями.
| Характер связи | Состав связи | Гибридизация атома углерода | Геометрия и угол | Вращение вокруг связи |
|---|---|---|---|---|
| Одинарная | 1 σ | sp³ | Тетраэдрическая, 109,5° | Возможно |
| Двойная | 1 σ + 1 π | sp² | Плоская треугольная, 120° | Свободное вращение невозможно |
| Тройная | 1 σ + 2 π | sp | Линейная, 180° | Свободное вращение невозможно |
Сначала определите кратность связи, затем по её составу установите гибридизацию и геометрию. Таблица показывает не только число связей, но и причину различий в форме молекул и подвижности атомных групп.
Условие: определите, полярна ли связь C–H, если электроотрицательность углерода немного выше электроотрицательности водорода.
Ответ: связь C–H полярная, электронная пара смещена к углероду.
Условие: для молекулы этена CH₂=CH₂ укажите число и тип связей между атомами углерода.
Ответ: между атомами углерода в этене две связи: одна σ и одна π.
Условие: сравните связи C–C в этане, этене и этине, определив гибридизацию и геометрию фрагмента.
Ответ: этан содержит σ-связь и имеет sp³-геометрию, этен — σ- и π-связи и sp²-геометрию, этин — σ- и две π-связи и sp-геометрию.
Ошибка: считать двойную связь двумя одинаковыми связями. Её допускают, когда не различают осевое и боковое перекрывание; проверка проста: двойная связь всегда состоит из одной σ- и одной π-связи.
Ошибка: полагать, что вокруг двойной связи возможно свободное вращение. При вращении нарушается боковое перекрывание, образующее π-связь; если связь кратная, свободное вращение запрещено.
Ошибка: путать полярность связи с полярностью всей молекулы. Полярность отдельной связи определяется электроотрицательностью, а молекулы ещё и взаимным расположением связей, поэтому симметрия может компенсировать их диполи.
Ошибка: считать гибридизацию отдельным видом химической связи. Гибридизация описывает способ формирования равноценных орбиталей; проверить себя можно, связав её не с названием связи, а с геометрией и направлением связей.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, валентных электронах и электроотрицательности. Эти понятия объясняют, откуда берутся общие электронные пары и почему связи поляризуются.
Представления о σ- и π-связях и гибридизации понадобятся при изучении алканов, алкенов, алкинов и других классов органических веществ. По строению связей можно предсказывать форму молекул, возможность вращения и многие химические свойства.
Почему атом углерода в органических соединениях образует четыре связи?
У атома углерода четыре валентных электрона, и для завершения внешнего электронного слоя ему выгодно образовать четыре общие электронные пары. Поэтому углерод обычно образует четыре ковалентные связи.
Чем полярная ковалентная связь отличается от неполярной?
В неполярной связи общая электронная пара распределена почти одинаково между атомами. В полярной связи она смещена к более электроотрицательному атому.
Как определить, сколько σ- и π-связей входит в двойную связь?
Двойная связь всегда состоит из одной σ-связи и одной π-связи. σ-связь образуется при перекрывании орбиталей вдоль линии между ядрами, а π-связь — при боковом перекрывании.
Почему вокруг двойной связи нельзя свободно вращаться?
При вращении частей молекулы вокруг двойной связи боковое перекрывание орбиталей нарушается. Поэтому для такого вращения нужно разрушить π-связь, а это требует значительной энергии.
Как гибридизация связана с формой молекулы?
Гибридизация создаёт равноценные орбитали, направленные в определённые стороны. Поэтому sp³-гибридизация связана с тетраэдрическим расположением, sp² — с плоским треугольным, а sp — с линейным.
Природа связей в молекулах органических соединений
