§ 64. Электронное строение и химические связи атома углерода

Определения и обозначения

Электронная конфигурация атома углерода — распределение его электронов по энергетическим уровням и орбиталям: 1s²2s²2p². Эта запись показывает, где находятся электроны и сколько среди них неспаренных, поэтому по ней можно предположить способность атома образовывать связи.

Возбуждённое состояние атома углерода — состояние, в котором один электрон с подуровня 2s переходит на подуровень 2p. Конфигурация внешнего уровня становится 2s¹2p³, а число неспаренных электронов увеличивается до четырёх. Так модель объясняет возможность образования четырёх связей.

Гибридизация атомных орбиталей — их смешение с образованием новых равноценных орбиталей, ориентированных в пространстве определённым образом. Новые орбитали называют гибридными. Тип гибридизации связывает электронное строение с геометрией молекулы.

σ- и π-связи — типы ковалентных связей, различающиеся способом перекрывания орбиталей. При σ-связи перекрывание происходит вдоль линии между ядрами, а при π-связи — по обе стороны от этой линии. Это различие помогает описывать состав двойных и тройных связей.

Как это устроено

В основном состоянии углерод имеет конфигурацию 1s²2s²2p². По правилу Хунда два электрона на 2p-подуровне занимают разные орбитали и имеют параллельные спины, поэтому неспаренных электронов только два. Однако в органических соединениях углерод обычно образует четыре связи, и одной этой картины недостаточно.

В модели образования связей один электрон с 2s переходит на свободную орбиталь 2p. После этого внешняя конфигурация 2s¹2p³ содержит четыре неспаренных электрона, каждый из которых может участвовать в образовании ковалентной связи. Возбуждение требует затрат энергии, но при образовании связей эта энергия компенсируется энергией возникающих связей.

После возбуждения орбитали могут смешиваться, то есть гибридизоваться. Число и форма гибридных орбиталей зависят от того, сколько s- и p-орбиталей участвует в смешении: sp³ даёт четыре орбитали, sp² — три, sp — две. Поэтому гибридизация определяет не только число направлений связей, но и форму молекулы.

При sp³-гибридизации четыре орбитали направлены к вершинам тетраэдра. Каждая перекрывается с орбиталью другого атома вдоль линии между ядрами, образуя σ-связь; так устроены четыре связи в метане и одинарная связь C–C в этане. Тетраэдрическое расположение уменьшает взаимное отталкивание электронных облаков, поэтому угол между направлениями близок к 109,5°.

При sp²-гибридизации три орбитали лежат в одной плоскости под углами около 120°, а одна p-орбиталь остаётся негибридизованной и перпендикулярна этой плоскости. Гибридные орбитали образуют σ-связи, а боковое перекрывание негибридизованных p-орбиталей создаёт π-связь, поэтому двойная связь состоит из σ- и π-составляющих. При sp-гибридизации остаются две противоположно направленные гибридные орбитали и две негибридизованные p-орбитали; это приводит к линейному строению и образованию тройной связи из одной σ- и двух π-связей.

Гибридизация атома углерода и строение связей

Пользуясь таблицей, сначала определите число направлений σ-связей вокруг конкретного атома углерода. Затем проверьте, есть ли негибридизованные p-орбитали: они нужны для образования π-связей.

Не следует определять гибридизацию только по формуле вещества: в одной молекуле разные атомы углерода могут иметь разные типы гибридизации. Геометрия и кратность связи становятся понятными, если рассматривать каждый атом отдельно.

Разбор задач

Задача 1

Условие: определите число неспаренных электронов у атома углерода в основном состоянии по электронной конфигурации.

1. Записываем конфигурацию: 1s²2s²2p².
2. Электроны 1s и 2s образуют пары, поэтому неспаренных электронов на этих орбиталях нет.
3. Два электрона 2p по правилу Хунда занимают две разные p-орбитали, а не одну; каждый остаётся неспаренным.

Ответ: в основном состоянии у атома углерода два неспаренных электрона.

Задача 2

Условие: определите тип гибридизации атомов углерода и вид связи C–C в этане, этене и этине.

1. В этане каждый атом углерода образует четыре σ-связи, поэтому его окружение тетраэдрическое и гибридизация sp³. Связь C–C одинарная и является σ-связью.
2. В этене у каждого атома углерода три направления σ-связей, расположенных в плоскости. Значит, гибридизация sp², а связь C=C содержит одну σ- и одну π-связь.
3. В этине у каждого атома углерода два противоположных направления σ-связей. Поэтому гибридизация sp, строение линейное, а C≡C состоит из одной σ- и двух π-связей.

Ответ: этан — sp³ и одинарная σ-связь; этен — sp² и двойная σ+π-связь; этин — sp и тройная σ+2π-связь.

Задача 3

Условие: для пропена CH₃–CH=CH₂ определите гибридизацию каждого атома углерода, геометрию его окружения и состав двойной связи.

1. Углерод в группе CH₃ образует четыре σ-связи, поэтому он sp³-гибридизован, а его окружение тетраэдрическое с углами около 109,5°.
2. Два углерода, соединённые двойной связью, имеют по три направления σ-связей. Они sp²-гибридизованы, их ближайшее окружение плоское треугольное, углы близки к 120°.
3. У каждого из этих двух атомов остаётся по одной негибридизованной p-орбитали. Их боковое перекрывание образует π-составляющую, тогда как перекрывание гибридных орбиталей даёт σ-составляющую.

Ответ: первый атом углерода — sp³ и тетраэдрический; второй и третий — sp² и плоские треугольные. Двойная связь содержит одну σ- и одну π-связь.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что четыре связи углерода объясняются его основным состоянием. Её допускают, если не распределяют электроны по отдельным p-орбиталям. Проверьте себя: в конфигурации 1s²2s²2p² в основном состоянии только два неспаренных электрона.

Ошибка: путать возбуждение с гибридизацией. Возбуждение — переход электрона между подуровнями, а гибридизация — смешение орбиталей после этого перехода. Для проверки назовите, изменилось ли число электронов или только форма и направление орбиталей.

Ошибка: считать двойную связь двумя одинаковыми связями. На самом деле одна её часть является σ-связью, а другая — π-связью, возникающей при боковом перекрывании p-орбиталей. Проверьте кратность: двойная связь всегда включает одну σ- и одну π-связь.

Ошибка: определять гибридизацию по формуле всей молекулы. В пропене, например, углерод CH₃-группы имеет sp³-гибридизацию, а атомы при C=C — sp². Рассматривайте окружение каждого атома отдельно и считайте направления его σ-связей.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, энергетических уровнях и подуровнях, электронных конфигурациях и правиле Хунда. Эти представления позволяют объяснить, откуда берутся неспаренные электроны.

Гибридизация помогает описывать геометрию молекул органических веществ и различия между одинарными, двойными и тройными связями. По пространственному строению можно связать электронную модель с формулой вещества.

Далее эти знания используют при изучении строения и реакционной способности органических соединений. Тип связи и наличие π-составляющей влияют на свойства веществ и их участие в реакциях.

Что запомнить

• Конфигурация углерода в основном состоянии — 1s²2s²2p².
• В модели образования четырёх связей атом углерода сначала переходит в возбуждённое состояние.
• Тип гибридизации определяет число гибридных орбиталей и пространственное направление связей.
• sp³-гибридизация соответствует тетраэдрическому окружению, sp² — плоскому треугольному, sp — линейному.
• Одинарная связь — σ-связь; двойная состоит из σ- и π-связей, тройная — из одной σ- и двух π-связей.
• π-связь образуется при боковом перекрывании негибридизованных p-орбиталей.