2.1. Связи, образуемые атомами углерода и водорода

Определения и обозначения

Ковалентная связь — химическая связь, возникающая за счёт общих электронных пар атомов. Каждый атом предоставляет для общей пары по одному или несколько электронов, а сама пара удерживает ядра вместе. Это понятие помогает объяснить соединение атомов углерода и водорода в молекулах.

σ-связь — ковалентная связь, образованная перекрыванием орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра атомов. Электронная плотность такой связи расположена главным образом между ядрами. Понятие σ-связи нужно для подсчёта состава одинарных, двойных и тройных связей.

π-связь — ковалентная связь, возникающая при боковом перекрывании орбиталей по обе стороны от линии между ядрами. Она образуется только дополнительно к σ-связи и препятствует свободному вращению связанных атомов. Поэтому π-связь важна при объяснении свойств двойных и тройных связей.

Гибридизация — преобразование атомных орбиталей углерода в равноценные гибридные орбитали, определяющие направление связей и геометрию молекулы. Различают sp³-, sp²- и sp-гибридизацию. От её типа зависят валентные углы и форма окружения атома углерода.

Как это устроено

У атома водорода электронная конфигурация 1s¹: ему не хватает одного электрона до устойчивой пары. Углерод имеет конфигурацию 1s²2s²2p² и четыре электрона на внешнем уровне. При сближении атомов их неспаренные электроны образуют общие пары, благодаря чему водород получает два электрона на первом уровне, а углерод стремится к завершению внешнего уровня.

В основном состоянии у углерода видны только два неспаренных электрона, но при образовании связей один электрон может перейти с 2s-орбитали на 2p-орбиталь. После этого появляются четыре неспаренных электрона, способных участвовать в образовании связей. Поэтому углерод в большинстве органических соединений проявляет валентность IV и образует четыре общие электронные пары.

Одинарная связь возникает при прямом перекрывании орбиталей на линии между ядрами, поэтому она является σ-связью. В двойной связи сначала образуется такая же σ-связь, а затем боковое перекрывание двух p-орбиталей создаёт одну π-связь. Тройная связь содержит одну σ-связь и две π-связи, образованные двумя взаимно перпендикулярными парами p-орбиталей.

При sp³-гибридизации смешиваются одна s- и три p-орбитали, образуются четыре направленные орбитали; связи располагаются к вершинам тетраэдра, угол около 109,5°. При sp²-гибридизации смешиваются одна s- и две p-орбитали, три связи лежат в одной плоскости под углами около 120°, а одна p-орбиталь остаётся для π-связи. При sp-гибридизации смешиваются одна s- и одна p-орбиталь, две связи направлены под углом 180°, а две p-орбитали образуют две π-связи.

Кратная связь короче и прочнее одинарной, потому что общих электронных пар становится больше и электронная плотность сильнее удерживает ядра. Поэтому длина обычно уменьшается в ряду C–C, C=C, C≡C, а прочность возрастает. Связь C–C практически неполярна, тогда как в C–H электронная плотность немного смещена к более электроотрицательному углероду. Вращение вокруг σ-связи возможно, но π-связь требует сохранения параллельности p-орбиталей и ограничивает вращение.

Сравнение связей, образуемых атомами углерода и водорода

Таблицу удобно читать по строкам: сначала определить кратность связи, затем её состав и гибридизацию углерода. После этого можно сделать вывод о форме молекулы, длине, прочности и вращении. Для C–H геометрия зависит не от водорода, а от типа гибридизации атома углерода.

Разбор задач

Метан CH₄

Условие: изобразить электронную и структурную формулы метана, указать число связей C–H и определить их тип. В метане один атом углерода соединён с четырьмя атомами водорода. Нужно учесть валентность обоих элементов и способ перекрывания орбиталей.

1. Углерод образует четыре общие электронные пары, а каждый водород предоставляет по одному электрону.
2. В электронной формуле четыре пары можно показать точками между C и H: H:C:H, а ещё две пары расположить сверху и снизу атома C.
3. В структурной формуле это записывают как CH₄ с четырьмя чертами C–H вокруг C: каждая черта обозначает одну общую пару.

Ответ: в CH₄ четыре связи C–H. Все они одинарные, σ-связи; атом углерода имеет sp³-гибридизацию и тетраэдрическое окружение.

Этен C₂H₄

Условие: определить число σ- и π-связей в молекуле этена, тип гибридизации атомов углерода и геометрию их окружения. Структурная формула этена — H₂C=CH₂. Двойную связь нельзя считать двумя σ-связями.

1. Связь C=C состоит из одной σ- и одной π-связи, а четыре связи C–H являются σ-связями.
2. Всего в молекуле пять σ-связей и одна π-связь.
3. Каждый атом углерода связан с тремя соседями, поэтому имеет sp²-гибридизацию; его окружение плоское, а углы близки к 120°.

Ответ: в этене 5 σ-связей и 1 π-связь. Оба атома углерода sp²-гибридизованы, а фрагмент C₂H₄ имеет плоское строение.

Этин C₂H₂

Условие: определить число σ- и π-связей, тип гибридизации, валентный угол и сравнить тройную связь с двойной. Формула этина — HC≡CH. Тройная связь соединяет одну и ту же пару атомов тремя общими электронными парами.

1. Связь C≡C включает одну σ- и две π-связи, а две связи C–H добавляют ещё две σ-связи.
2. Итого в молекуле три σ-связи и две π-связи.
3. У каждого атома углерода две области электронной плотности, поэтому гибридизация sp, угол равен 180°, а молекула линейна.
4. По сравнению с C=C связь C≡C короче и прочнее, но свободное вращение вокруг неё также ограничено из-за π-связей.

Ответ: этин содержит 3 σ- и 2 π-связи; углерод имеет sp-гибридизацию, валентный угол 180°. Тройная связь короче и прочнее двойной.

Типичные ошибки

Ошибка — считать двойную связь двумя σ-связями, а тройную — тремя. Так происходит, если ориентироваться только на число черточек в формуле и не учитывать перекрывание орбиталей. Проверка проста: в любой кратной связи есть только одна σ-связь, остальные являются π-связями.

Иногда в молекуле с двойной или тройной связью углероду приписывают только две или три связи. Причина — кратную связь ошибочно считают одной связью, хотя она содержит несколько общих электронных пар. Чтобы проверить себя, подсчитайте пары: C=C даёт две, а C≡C — три.

Нельзя смешивать валентность с числом общих электронных пар. Валентность углерода равна четырём, но двойная связь с одним атомом учитывается как две связи при подсчёте пар и как одна связь между двумя атомами в структурной схеме. Проверяйте одновременно число соседних атомов и кратность соединения.

Неверно считать, что углерод всегда имеет тетраэдрическое окружение и что вокруг любой связи можно свободно вращаться. Геометрия зависит от гибридизации, а π-связь фиксирует взаимное положение атомов. Сначала определите кратность связи и тип гибридизации, затем делайте вывод о форме и вращении.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об электронном строении атомов, валентных электронах и образовании общих электронных пар. Они объясняют, почему водород образует одну связь, а углерод — четыре.

Понадобятся также представления об электроотрицательности и полярности химической связи. С их помощью можно объяснить, почему C–C почти неполярна, а C–H имеет небольшое смещение электронной плотности к углероду.

Эти сведения используются при изучении строения и свойств углеводородов, изомерии и реакций присоединения. Тип связи и гибридизация помогают предсказывать форму молекул и их химическое поведение.

Что запомнить

• Углерод образует четыре ковалентные связи, а водород — одну.
• Одинарная связь состоит из одной σ-связи.
• Двойная связь состоит из одной σ- и одной π-связи.
• Тройная связь состоит из одной σ- и двух π-связей.
• sp³-, sp²- и sp-гибридизация соответствуют тетраэдрическому, плоскому и линейному окружению атома углерода.
• Чем выше кратность связи, тем обычно меньше её длина и больше её прочность.
• Вращение вокруг σ-связи возможно значительно легче, чем вокруг двойной связи.