§ 4. Валентные состояния атома углерода

Определения и обозначения

Валентное состояние атома углерода — это распределение его электронов по орбиталям, которое определяет число и характер образуемых связей. Оно помогает понять, почему углерод способен соединяться сразу с четырьмя атомами или образовывать кратные связи. При описании учитывают основное и возбуждённое состояние атома.

Гибридизация орбиталей — их смешение с образованием новых равноценных гибридных орбиталей. Такие орбитали имеют определённое направление в пространстве, поэтому модель гибридизации объясняет не только число, но и геометрию связей. Обозначение показывает, какие исходные орбитали смешались.

sp³-гибридизация — смешение одной s- и трёх p-орбиталей с образованием четырёх одинаковых sp³-орбиталей. Они направлены к вершинам тетраэдра. Поэтому такой тип характерен для атома углерода, образующего четыре одинарные связи.

sp²- и sp-гибридизация возникают при смешении одной s-орбитали соответственно с двумя или одной p-орбиталью. В первом случае остаётся одна негибридная p-орбиталь, во втором — две. Они могут участвовать в образовании π-связей, входящих в состав кратных связей.

Как это устроено

В основном состоянии электронная конфигурация углерода имеет вид 1s²2s²2p². На 2s-орбитали находятся два электрона, образующие пару, а на двух из трёх 2p-орбиталей располагается по одному электрону. Согласно правилу заполнения орбиталей электроны сначала занимают свободные орбитали по одному, поэтому неспаренных электронов только два.

Чтобы объяснить способность углерода образовывать четыре связи, рассматривают возбуждение атома. Один электрон с 2s-орбитали переходит на свободную 2p-орбиталь, и конфигурация внешнего уровня становится 2s¹2p³. Теперь четыре электрона неспарены, поэтому каждый из них может участвовать в образовании связи.

Одного возбуждения недостаточно, чтобы объяснить строение молекул: s- и p-орбитали различаются формой и направлением, а связи в метане оказываются равноценными. Поэтому используют модель гибридизации, при которой исходные орбитали смешиваются. Получившиеся гибридные орбитали одинаковы по энергии и направлены так, чтобы перекрывание с орбиталями других атомов было наиболее эффективным.

В метане углерод находится в состоянии sp³-гибридизации. Четыре гибридные орбитали направлены от центра к вершинам тетраэдра, а атомы водорода располагаются в этих направлениях. Угол между любыми двумя связями составляет около 109,5°, потому что такое расположение максимально удаляет четыре электронные области друг от друга.

При sp²-гибридизации три гибридные орбитали лежат в одной плоскости и образуют углы около 120°. Негибридная p-орбиталь расположена перпендикулярно этой плоскости и образует π-связь в этене. При sp-гибридизации две гибридные орбитали направлены в противоположные стороны, поэтому угол равен 180°, а две негибридные p-орбитали обеспечивают две π-связи в этине.

Валентные состояния атома углерода и гибридизация

Сначала по числу областей связывания выбирают столбец: четыре области дают sp³, три — sp², две — sp. Затем проверяют геометрию и наличие негибридных p-орбиталей. Двойная связь включает одну σ- и одну π-связь, а тройная — одну σ- и две π-связи.

Разбор задач

Задача 1

Условие: укажите число неспаренных электронов у атома углерода в основном и возбуждённом состояниях по электронным конфигурациям. Нужно отличить одиночные электроны от электронных пар.

1. Записываем конфигурацию основного состояния: 1s²2s²2p². На 2s-орбитали находится пара, а два электрона 2p занимают разные орбитали.
2. Считаем одиночные электроны: в основном состоянии их два.
3. При возбуждении один электрон переходит с 2s на свободную 2p-орбиталь: 1s²2s¹2p³. На внешнем уровне теперь четыре одиночных электрона.

Ответ: в основном состоянии у углерода 2 неспаренных электрона, в возбуждённом — 4.

Задача 2

Условие: определите тип гибридизации углерода в метане и геометрию молекулы. В молекуле CH₄ углерод образует четыре одинаковые одинарные связи.

1. Считаем области связывания вокруг углерода: четыре связи C—H дают четыре области.
2. Четырём областям соответствует sp³-гибридизация, то есть смешение одной s- и трёх p-орбиталей.
3. Четыре равноценные sp³-орбитали направлены к вершинам тетраэдра. Поэтому углы H—C—H близки к 109,5°.

Ответ: углерод в метане имеет sp³-гибридизацию; молекула имеет тетраэдрическое строение, угол около 109,5°.

Задача 3

Условие: для этена и этина определите гибридизацию атомов углерода, геометрию вокруг них и соотношение σ- и π-связей в кратной связи. Двойная связь в этене и тройная связь в этине считаются одной областью при подсчёте направлений.

1. В этене у каждого углерода три области связывания: связь с соседним углеродом и две связи с водородом. Значит, каждый атом имеет sp²-гибридизацию, плоскую геометрию и угол около 120°; двойная связь состоит из одной σ- и одной π-связи.
2. В этине у каждого углерода две области: связь C—C и связь C—H. Следовательно, гибридизация sp, геометрия линейная, угол 180°.
3. При sp-гибридизации остаются две негибридные p-орбитали. Они образуют две π-связи, поэтому тройная связь состоит из одной σ- и двух π-связей.

Ответ: в этене углерод sp²-гибридизован, в этине — sp; кратные связи имеют состав σ + π и σ + 2π соответственно.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что четыре неспаренных электрона есть у углерода в основном состоянии. Так происходит из-за смешения основного и возбуждённого состояний. Проверка: сначала запишите 1s²2s²2p² и посчитайте электроны на орбитальной схеме.

Ошибка — путать возбуждение с гибридизацией. Возбуждение меняет заполнение орбиталей, а гибридизация смешивает уже имеющиеся s- и p-орбитали. Проверяйте себя вопросом: речь идёт о переходе электрона или об образовании новых орбиталей?

Ошибка — считать, что при sp²- и sp-гибридизации смешиваются все p-орбитали. При sp² остаётся одна негибридная p-орбиталь, при sp — две. Число оставшихся p-орбиталей можно определить по записи: из трёх p вычитают число p, участвующих в смешении.

Ошибка — полагать, что кратная связь целиком состоит из π-связей. В любой двойной или тройной связи первая составляющая является σ-связью, а остальные — π-связями. Проверка: двойная связь = σ + π, тройная = σ + 2π.

Связь с другими темами

Для понимания валентных состояний нужны знания о строении атома, электронных оболочках, электронных конфигурациях и правилах заполнения орбиталей. Эти сведения позволяют отличить основное состояние от возбуждённого и правильно определить число неспаренных электронов.

Понятия гибридизации и направленности связей пригодятся при изучении химической связи, а также строения и свойств алканов, алкенов и алкинов. По типу гибридизации можно объяснить форму молекулы и особенности одинарных и кратных связей.

Что запомнить

• В основном состоянии электронная конфигурация углерода — 1s²2s²2p².
• После возбуждения у атома углерода четыре неспаренных электрона.
• sp³-гибридизация соответствует тетраэдрическому расположению связей и углу около 109,5°.
• sp²-гибридизация связана с плоским расположением связей и углом около 120°.
• sp-гибридизация связана с линейным расположением связей и углом 180°.
• При sp²-гибридизации остаётся одна негибридная p-орбиталь, при sp — две.