Configurazione elettronica dello stato fondamentale dell'atomo di carbonio l S 2 2S 2 2p 2:

Ci si aspetterebbe che un tale atomo di carbonio formi un composto CH 2 con due atomi di idrogeno. Ma nel metano, il carbonio è legato a quattro atomi di idrogeno. Per rappresentare la formazione di una molecola CH 4 è necessario fare riferimento al suo stato elettronico eccitato.

Ora ci si aspetterebbe che l'atomo di carbonio formi quattro legami con atomi di idrogeno, ma questi legami non sono equivalenti: si formano tre legami usando R-orbitali, uno - utilizzando S-orbitali. Ciò contraddice il fatto ben noto che tutti i legami nel metano sono equivalenti.

Successivamente, viene eseguita l'ibridazione degli orbitali. Calcolate matematicamente varie combinazioni di uno S- e tre R-orbitali. Gli orbitali ibridi con il più alto grado di direttività (orbitali "migliori"), come risultato di una maggiore sovrapposizione, danno legami (1) più forte che non ibridato S- o R-orbitali. Quattro orbitali ibridi "migliori" (2) sono equivalenti . Sono diretti ai vertici di un tetraedro regolare, l'angolo tra i due orbitali è 109,5 o. Questa geometria fornisce (3) minima repulsione tra di loro .

Completiamo il quadro della costruzione della molecola di metano: ognuna delle quattro sp 3 -gli orbitali di un atomo di carbonio si sovrappongono a 1 S-orbitale dell'atomo di idrogeno. quattro  -connessioni.

Per la massima copertura sp 3 -orbitali di carbonio e 1 S- orbitali di idrogeno quattro atomi di idrogeno devono giacere sugli assi sp 3 -orbitali. Pertanto, l'angolo tra due legami C–H qualsiasi è 109,5 o.

I dati sperimentali confermano il calcolo: il metano ha una struttura tetraedrica. Tutti i legami carbonio-idrogeno hanno la stessa lunghezza di 10,9 10 -2 nm, l'angolo tra due legami qualsiasi è tetraedrico e pari a 109,5 o. Occorrono 427·10 3 J/mol per rompere uno dei legami nel metano.

1.3. La struttura dell'etano

La costruzione del prossimo omologo della serie degli alcani - etano H 3 C–CH 3 sarà eseguita in modo simile. Come nel caso del metano , I legami CH sorgono a causa della sovrapposizione sp 3 -orbitali dell'atomo di carbonio con 1s-orbitali di atomi di idrogeno, il legame carbonio-carbonio si forma come risultato della sovrapposizione di due sp 3 -orbitali di atomi di carbonio.

La molecola dell'etano contiene sei legami carbonio-idrogeno  e un legame carbonio-carbonio . I legami  hanno simmetria cilindrica  . L'asse di simmetria della nuvola di elettroni del legame  è la linea che collega gli atomi. La nuvola di elettroni di un legame carbonio-carbonio , che ha una simmetria cilindrica, può essere rappresentata come segue:

1.4. Rotazione attorno a un semplice legame carbonio-carbonio. Conformazioni

Nella molecola di etano, la rotazione di un gruppo metilico rispetto all'altro avviene quasi liberamente.

	Sono chiamate varie disposizioni di gruppi e atomi nello spazio, risultanti dalla rotazione di un atomo rispetto a un altro lungo la linea di legame che collega questi atomiconformazioni .
Conformazione in etano(I) schermato		Conformazione etano (II) impedita

Tuttavia, la rotazione di un gruppo metilico rispetto a un altro non è del tutto libera. L'energia potenziale della molecola è minima per la conformazione impedita II, durante la rotazione del gruppo metilico aumenta e raggiunge un massimo per la conformazione impedita I. L'energia in eccesso della conformazione impedita rispetto alla conformazione impedita è chiamata energia sollecitazione di torsione . Per una molecola di etano, questa energia è 13 10 3 J/mol (Fig. 1.1).

Si ritiene che l'energia in eccesso appaia a causa della repulsione delle nubi di elettroni dei legami carbonio-idrogeno nel momento in cui si incrociano. Poiché a temperatura ambiente l'energia di alcune collisioni di molecole può raggiungere 86·10 3 J/mol, la barriera di 13·10 3 J/mol è facilmente superabile. La rotazione in etano è considerata libera.

Riso. 1.1. Energiaprofilorotazioni di gruppoCH 3 in una molecola di etano attorno a un legame carbonio-carbonio

Si chiamano le conformazioni corrispondenti ai minimi energetici isomeri conformazionali o conformeri . In molecole più complesse, il numero di conformeri può essere abbastanza grande.

Argomenti del codificatore USE: Legame chimico covalente, sue varietà e meccanismi di formazione. Caratteristiche di un legame covalente (polarità ed energia di legame). Legame ionico. Collegamento in metallo. legame idrogeno

Legami chimici intramolecolari

Consideriamo prima i legami che sorgono tra le particelle all'interno delle molecole. Tali connessioni sono chiamate Intermolecolare.

legame chimico tra atomi di elementi chimici ha natura elettrostatica e si forma a causa di interazioni di elettroni esterni (di valenza)., in più o meno grado detenute da nuclei carichi positivamente atomi legati.

Il concetto chiave qui è ELETTRONEGNATIVA. È lei che determina il tipo di legame chimico tra gli atomi e le proprietà di questo legame.

è la capacità di un atomo di attrarre (tenere) esterno(valenza) elettroni. L'elettronegatività è determinata dal grado di attrazione degli elettroni esterni al nucleo e dipende principalmente dal raggio dell'atomo e dalla carica del nucleo.

L'elettronegatività è difficile da determinare in modo inequivocabile. L. Pauling ha compilato una tabella di elettronegatività relativa (basata sulle energie di legame delle molecole biatomiche). L'elemento più elettronegativo è fluoro con significato 4 .

È importante notare che in diverse fonti è possibile trovare diverse scale e tabelle di valori di elettronegatività. Questo non dovrebbe essere spaventato, poiché la formazione di un legame chimico gioca un ruolo atomi, ed è approssimativamente lo stesso in qualsiasi sistema.

Se uno degli atomi nel legame chimico A:B attrae gli elettroni più fortemente, la coppia di elettroni viene spostata verso di esso. Più differenza di elettronegatività atomi, più la coppia di elettroni viene spostata.

Se i valori di elettronegatività degli atomi interagenti sono uguali o approssimativamente uguali: EO(A)≈EO(V), quindi la coppia di elettroni condivisa non viene spostata su nessuno degli atomi: R: B. Si chiama tale connessione covalente non polare.

Se l'elettronegatività degli atomi interagenti differisce, ma non molto (la differenza di elettronegatività è approssimativamente da 0,4 a 2: 0,4<ΔЭО<2 ), quindi la coppia di elettroni viene spostata su uno degli atomi. Si chiama tale connessione polare covalente .

Se l'elettronegatività degli atomi interagenti differisce significativamente (la differenza di elettronegatività è maggiore di 2: ΔEO>2), quindi uno degli elettroni passa quasi completamente a un altro atomo, con la formazione ioni. Si chiama tale connessione ionico.

I principali tipi di legami chimici sono − covalente, ionico e metallico connessioni. Consideriamoli più in dettaglio.

legame chimico covalente

legame covalente – è un legame chimico formato da formazione di una coppia di elettroni comune A:B . In questo caso, due atomi sovrapposizione orbitali atomici. Un legame covalente è formato dall'interazione di atomi con una piccola differenza di elettronegatività (di norma, tra due non metalli) o atomi di un elemento.

Proprietà di base dei legami covalenti

• orientamento,
• saturabilità,
• polarità,
• polarizzabilità.

Queste proprietà di legame influenzano le proprietà chimiche e fisiche delle sostanze.

Direzione della comunicazione caratterizza la struttura chimica e la forma delle sostanze. Gli angoli tra due legami sono detti angoli di legame. Ad esempio, in una molecola d'acqua, l'angolo di legame H-O-H è 104,45 o, quindi la molecola d'acqua è polare, e nella molecola di metano, l'angolo di legame H-C-H è 108 o 28 ′.

Saturabilità è la capacità degli atomi di formare un numero limitato di legami chimici covalenti. Si chiama il numero di legami che un atomo può formare.

Polarità i legami sorgono a causa della distribuzione non uniforme della densità elettronica tra due atomi con diversa elettronegatività. I legami covalenti si dividono in polari e non polari.

Polarizzabilità le connessioni sono la capacità degli elettroni di legame di essere spostati da un campo elettrico esterno(in particolare, il campo elettrico di un'altra particella). La polarizzabilità dipende dalla mobilità degli elettroni. Più l'elettrone è lontano dal nucleo, più è mobile e, di conseguenza, la molecola è più polarizzabile.

Legame chimico covalente non polare

Esistono 2 tipi di legame covalente: POLARE e NON POLARE .

Esempio . Considera la struttura della molecola di idrogeno H 2 . Ogni atomo di idrogeno trasporta 1 elettrone spaiato nel suo livello di energia esterna. Per visualizzare un atomo, utilizziamo la struttura di Lewis: questo è un diagramma della struttura del livello di energia esterna di un atomo, quando gli elettroni sono indicati da punti. I modelli di struttura a punti di Lewis sono un buon aiuto quando si lavora con elementi del secondo periodo.

H. +. H=H:H

Pertanto, la molecola di idrogeno ha una coppia di elettroni comune e un legame chimico H–H. Questa coppia di elettroni non è spostata su nessuno degli atomi di idrogeno, perché l'elettronegatività degli atomi di idrogeno è la stessa. Si chiama tale connessione covalente non polare .

Legame covalente non polare (simmetrico). - questo è un legame covalente formato da atomi con uguale elettronegatività (di regola, gli stessi non metalli) e, quindi, con una distribuzione uniforme della densità elettronica tra i nuclei degli atomi.

Il momento di dipolo dei legami non polari è 0.

Esempi: H 2 (H-H), O 2 (O=O), S 8 .

Legame chimico polare covalente

legame polare covalente è un legame covalente che si verifica tra atomi con diversa elettronegatività (di solito, diversi non metalli) ed è caratterizzato Dislocamento coppia elettronica comune a un atomo più elettronegativo (polarizzazione).

La densità elettronica viene spostata su un atomo più elettronegativo, quindi su di esso appare una carica negativa parziale (δ-) e una carica positiva parziale appare su un atomo meno elettronegativo (δ+, delta +).

Maggiore è la differenza nell'elettronegatività degli atomi, maggiore è polarità connessioni e altro ancora momento di dipolo . Tra le molecole vicine e le cariche opposte nel segno agiscono forze attrattive aggiuntive, che aumentano forza connessioni.

La polarità del legame influenza le proprietà fisiche e chimiche dei composti. I meccanismi di reazione e persino la reattività dei legami vicini dipendono dalla polarità del legame. La polarità di un legame spesso determina polarità della molecola e quindi influenza direttamente proprietà fisiche come punto di ebollizione e punto di fusione, solubilità in solventi polari.

Esempi: HCl, CO 2 , NH 3 .

Meccanismi per la formazione di un legame covalente

Un legame chimico covalente può verificarsi mediante 2 meccanismi:

1. meccanismo di scambio la formazione di un legame chimico covalente avviene quando ogni particella fornisce un elettrone spaiato per la formazione di una coppia di elettroni comune:

MA . + . B=A:B

2. La formazione di un legame covalente è un tale meccanismo in cui una delle particelle fornisce una coppia di elettroni non condivisa e l'altra particella fornisce un orbitale libero per questa coppia di elettroni:

MA: + B=A:B

In questo caso, uno degli atomi fornisce una coppia di elettroni non condivisa ( donatore), e l'altro atomo fornisce un orbitale libero per questa coppia ( accettore). Come risultato della formazione di un legame, l'energia di entrambi gli elettroni diminuisce, cioè questo è benefico per gli atomi.

Un legame covalente formato dal meccanismo donatore-accettore, non è diverso dalle proprietà di altri legami covalenti formati dal meccanismo di scambio. La formazione di un legame covalente da parte del meccanismo donatore-accettore è tipica per atomi con un gran numero di elettroni a livello di energia esterna (donatori di elettroni), o viceversa, con un numero molto piccolo di elettroni (accettori di elettroni). Le possibilità di valenza degli atomi sono considerate più in dettaglio nel corrispondente.

Un legame covalente è formato dal meccanismo donatore-accettore:

- in una molecola monossido di carbonio CO(il legame nella molecola è triplo, 2 legami sono formati dal meccanismo di scambio, uno dal meccanismo donatore-accettore): C≡O;

- in ione ammonio NH 4 +, in ioni ammine organiche, ad esempio, nello ione metilammonio CH 3 -NH 2 + ;

- in composti complessi, un legame chimico tra l'atomo centrale e gruppi di ligandi, ad esempio in sodio tetraidrossialluminato Na il legame tra alluminio e ioni idrossido;

- in acido nitrico e suoi sali- nitrati: HNO 3 , NaNO 3 , in alcuni altri composti azotati;

- in una molecola ozono O 3 .

Principali caratteristiche di un legame covalente

Un legame covalente, di regola, si forma tra gli atomi dei non metalli. Le caratteristiche principali di un legame covalente sono lunghezza, energia, molteplicità e direttività.

Molteplicità del legame chimico

Molteplicità del legame chimico - Questo il numero di coppie di elettroni condivisi tra due atomi in un composto. La molteplicità del legame può essere determinata abbastanza facilmente dal valore degli atomi che formano la molecola.

Per esempio , nella molecola di idrogeno H 2 la molteplicità del legame è 1, perché ogni idrogeno ha solo 1 elettrone spaiato nel livello di energia esterno, quindi si forma una coppia di elettroni comune.

Nella molecola di ossigeno O 2, la molteplicità del legame è 2, perché ogni atomo ha 2 elettroni spaiati nel suo livello di energia esterno: O=O.

Nella molecola di azoto N 2, la molteplicità del legame è 3, perché tra ogni atomo ci sono 3 elettroni spaiati nel livello di energia esterno e gli atomi formano 3 coppie di elettroni comuni N≡N.

Lunghezza del legame covalente

Lunghezza del legame chimico è la distanza tra i centri dei nuclei degli atomi che formano un legame. È determinato da metodi fisici sperimentali. La lunghezza del legame può essere stimata approssimativamente, secondo la regola dell'additività, secondo la quale la lunghezza del legame nella molecola AB è approssimativamente uguale alla metà della somma delle lunghezze del legame nelle molecole A 2 e B 2:

La lunghezza di un legame chimico può essere stimata approssimativamente lungo i raggi degli atomi, formando un legame, o dalla molteplicità della comunicazione se i raggi degli atomi non sono molto diversi.

Con un aumento dei raggi degli atomi che formano un legame, la lunghezza del legame aumenterà.

Per esempio

Con un aumento della molteplicità dei legami tra atomi (i cui raggi atomici non differiscono o differiscono leggermente), la lunghezza del legame diminuirà.

Per esempio . Nella serie: C–C, C=C, C≡C, la lunghezza del legame diminuisce.

Energia di legame

Una misura della forza di un legame chimico è l'energia del legame. Energia di legame è determinato dall'energia richiesta per rompere il legame e rimuovere gli atomi che formano questo legame a una distanza infinita l'uno dall'altro.

Il legame covalente è molto resistente. La sua energia varia da diverse decine a diverse centinaia di kJ/mol. Maggiore è l'energia di legame, maggiore è la forza di legame e viceversa.

La forza di un legame chimico dipende dalla lunghezza del legame, dalla polarità del legame e dalla molteplicità del legame. Più lungo è il legame chimico, più facile è rompersi e minore è l'energia del legame, minore è la sua forza. Più breve è il legame chimico, più forte è e maggiore è l'energia del legame.

Per esempio, nella serie dei composti HF, HCl, HBr da sinistra a destra la forza del legame chimico diminuisce, perché la lunghezza del legame aumenta.

Legame chimico ionico

Legame ionico è un legame chimico basato su attrazione elettrostatica di ioni.

ioni si formano nel processo di accettazione o cessione di elettroni da parte degli atomi. Ad esempio, gli atomi di tutti i metalli trattengono debolmente gli elettroni del livello di energia esterno. Pertanto, gli atomi di metallo sono caratterizzati proprietà ricostituenti la capacità di donare elettroni.

Esempio. L'atomo di sodio contiene 1 elettrone al 3° livello di energia. Dandolo via facilmente, l'atomo di sodio forma uno ione Na + molto più stabile, con la configurazione elettronica del nobile gas neon Ne. Lo ione sodio contiene 11 protoni e solo 10 elettroni, quindi la carica totale dello ione è -10+11 = +1:

+11N / a) 2 ) 8 ) 1 - 1e = +11 N / a +) 2 ) 8

Esempio. L'atomo di cloro ha 7 elettroni nel suo livello di energia esterna. Per acquisire la configurazione di un atomo di argon inerte stabile Ar, il cloro deve aggiungere 1 elettrone. Dopo l'aggiunta di un elettrone, si forma uno ione cloro stabile, costituito da elettroni. La carica totale dello ione è -1:

+17cl) 2 ) 8 ) 7 + 1e = +17 cl — ) 2 ) 8 ) 8

Nota:

• Le proprietà degli ioni sono diverse dalle proprietà degli atomi!
• Gli ioni stabili possono formarsi non solo atomi, ma anche gruppi di atomi. Ad esempio: ione ammonio NH 4 +, ione solfato SO 4 2-, ecc. Anche i legami chimici formati da tali ioni sono considerati ionici;
• Di solito si formano legami ionici tra metalli e non metalli(gruppi di non metalli);

Gli ioni formati sono attratti dall'attrazione elettrica: Na + Cl -, Na 2 + SO 4 2-.

Generalizziamo visivamente differenza tra tipi di legame covalente e ionico:

legame chimico metallico

connessione metallica è la relazione che si forma relativamente elettroni liberi tra ioni metallici formando un reticolo cristallino.

Gli atomi di metalli a livello di energia esterna di solito hanno da uno a tre elettroni. I raggi degli atomi di metallo, di regola, sono grandi, quindi gli atomi di metallo, a differenza dei non metalli, donano abbastanza facilmente elettroni esterni, ad es. sono forti agenti riducenti

Interazioni intermolecolari

Separatamente, vale la pena considerare le interazioni che si verificano tra le singole molecole in una sostanza - interazioni intermolecolari . Le interazioni intermolecolari sono un tipo di interazione tra atomi neutri in cui non compaiono nuovi legami covalenti. Le forze di interazione tra le molecole furono scoperte da van der Waals nel 1869 e portarono il suo nome. Forze di Van dar Waals. Le forze di Van der Waals sono divise in orientamento, induzione e dispersione . L'energia delle interazioni intermolecolari è molto inferiore all'energia di un legame chimico.

Forze di attrazione di orientamento sorgono tra molecole polari (interazione dipolo-dipolo). Queste forze sorgono tra le molecole polari. Interazioni induttive è l'interazione tra una molecola polare e una non polare. Una molecola non polare viene polarizzata a causa dell'azione di una polare, che dà luogo ad un'ulteriore attrazione elettrostatica.

Un tipo speciale di interazione intermolecolare sono i legami idrogeno. - si tratta di legami chimici intermolecolari (o intramolecolari) che sorgono tra molecole in cui sono presenti legami covalenti fortemente polari - H-F, H-O o H-N. Se ci sono tali legami nella molecola, allora ci saranno tra le molecole ulteriori forze di attrazione .

Meccanismo educativo Il legame idrogeno è in parte elettrostatico e in parte donatore-accettore. In questo caso, un atomo di un elemento fortemente elettronegativo (F, O, N) funge da donatore di coppia di elettroni e gli atomi di idrogeno collegati a questi atomi agiscono da accettore. I legami idrogeno sono caratterizzati orientamento nello spazio e saturazione.

Il legame idrogeno può essere indicato da punti: H ··· O. Maggiore è l'elettronegatività di un atomo collegato all'idrogeno e minore è la sua dimensione, più forte è il legame idrogeno. È principalmente caratteristico dei composti fluoro con idrogeno , così come a ossigeno con idrogeno , meno azoto con idrogeno .

I legami idrogeno si verificano tra le seguenti sostanze:

— acido fluoridrico HF(gas, soluzione di acido fluoridrico in acqua - acido fluoridrico), acqua H 2 O (vapore, ghiaccio, acqua liquida):

— soluzione di ammoniaca e ammine organiche- tra ammoniaca e molecole d'acqua;

— composti organici in cui si lega O-H o N-H: alcoli, acidi carbossilici, ammine, amminoacidi, fenoli, anilina e suoi derivati, proteine, soluzioni di carboidrati - monosaccaridi e disaccaridi.

Il legame idrogeno influisce sulle proprietà fisiche e chimiche delle sostanze. Pertanto, l'ulteriore attrazione tra le molecole rende difficile l'ebollizione delle sostanze. Le sostanze con legami idrogeno mostrano un aumento anomalo del punto di ebollizione.

Per esempio Di norma, con un aumento del peso molecolare, si osserva un aumento del punto di ebollizione delle sostanze. Tuttavia, in un certo numero di sostanze H 2 O-H 2 S-H 2 Se-H 2 Te non osserviamo una variazione lineare dei punti di ebollizione.

Vale a dire, a il punto di ebollizione dell'acqua è anormalmente alto - non meno di -61 o C, come mostra la retta, ma molto di più, +100 o C. Questa anomalia è spiegata dalla presenza di legami idrogeno tra le molecole d'acqua. Pertanto, in condizioni normali (0-20 o C), l'acqua lo è liquido per stato di fase.

Metodo dei legami di valenza (coppie di elettroni localizzate) suggerisce che ogni coppia di atomi in una molecola è tenuta insieme da una o più coppie di elettroni condivisi. Pertanto, il legame chimico sembra essere a due elettroni e a due centri, cioè situato tra due atomi. Nelle formule strutturali dei composti, è indicato da un trattino:

H-Cl, H-H, H-O-H

Considera alla luce Metodo del sole, caratteristiche della comunicazione come saturazione, direttività e polarizzabilità.

Valenza atomo - è determinato dal numero di elettroni spaiati (di valenza) che possono prendere parte alla formazione di un legame chimico. La valenza è espressa in numeri piccoli ed è uguale al numero di legami covalenti. Viene spesso chiamata la valenza degli elementi, che si manifesta nei composti covalenti covalenza. Alcuni atomi hanno una valenza variabile, ad esempio, il carbonio allo stato fondamentale ha 2 elettroni spaiati e sarà due valenti. Quando un atomo è eccitato, è possibile vaporizzare gli altri due elettroni accoppiati e quindi l'atomo di carbonio diventerà quadrivalente:

L'eccitazione di un atomo a un nuovo stato di valenza richiede il dispendio di energia, che viene compensato dall'energia rilasciata durante la formazione dei legami.

Orientamento del legame covalente

La sovrapposizione reciproca delle nuvole può avvenire in modi diversi, a causa delle loro diverse forme. Distinguere σ-, π- e δ-connessioni.

Sigma - connessioni si formano quando le nuvole si sovrappongono lungo una linea che passa attraverso i nuclei degli atomi. I legami pi si verificano quando le nuvole si sovrappongono su entrambi i lati della linea che collega i nuclei degli atomi. Delta: le comunicazioni vengono eseguite quando tutte e quattro le lame delle nubi di elettroni d si sovrappongono, situate su piani paralleli.

σ– legame può verificarsi quando c'è una sovrapposizione lungo la linea che collega i nuclei degli atomi nei seguenti orbitali: S— S -, S— R-, R– R-, d— d-orbitali, e d— S-, d— R- orbitali. σ– legame ha le proprietà di un legame localizzato a due centri, che è.

π-legame può essere formato sovrapponendo su entrambi i lati della linea che collega i nuclei di atomi dei seguenti orbitali: R—R-, R—d-, d—d-, f—p-, f—d- e f—f- orbitali.

Così, S- gli elementi possono solo formarsi σ– legami, R- elementi - σ– e π– legami, d- elementi - σ–, π– e δ-legami, un f- elementi - σ– , π– , δ-legami. Con la formazione congiunta di legami π e σ, si ottiene un doppio legame. Se si verificano due contemporaneamente π-e σ-legame, si forma un triplo legame. Il numero di legami formati tra gli atomi è chiamato molteplicità di legame.

Quando si stabilisce una connessione con S— orbitali, a causa della loro forma sferica, non esiste una direzione preferenziale nello spazio, per la più vantaggiosa formazione di legami covalenti. Nel caso R- orbitali, la densità elettronica è distribuita in modo non uniforme, quindi esiste una certa direzione in cui è più probabile la formazione di un legame covalente.

Ibridazione di orbitali atomici

Considera un esempio. Immagina che quattro atomi di idrogeno siano combinati con un atomo di carbonio e si formi una molecola di metano CH 4.

L'immagine mostra cosa sta succedendo, ma non spiega come si comportano S— e R- orbitali, nella formazione di tali composti. Sebbene R- l'orbitale ha due parti ruotate l'una rispetto all'altra, ma può formare un solo legame. Di conseguenza, si può presumere che nella molecola di metano un atomo di idrogeno sia attaccato a 2 S— orbitali di carbonio, il resto - a 2 R- orbitali. Quindi, ogni atomo di idrogeno sarà in relazione all'altro con un angolo di 90°, ma non è così. Gli elettroni si respingono e divergono su una distanza maggiore. Cosa sta realmente accadendo?

Di conseguenza, tutti gli orbitali si combinano, riorganizzano e formano 4 equivalenti ibrido orbitali diretti verso i vertici del tetraedro. Ciascuno degli orbitali ibridi contiene un determinato contributo 2 S— orbitali e alcuni contributi 2 R- orbitali. Poiché 4 orbitali ibridi sono formati da uno 2 S— e tre 2 R- orbitali, quindi viene chiamato questo metodo di ibridazione sp 3 -ibridazione.

sp 3 ibridazione di orbitali in una molecola di metano

Come si può vedere dalla figura, la configurazione degli orbitali ibridi consente a quattro atomi di idrogeno di formare legami covalenti con un atomo di carbonio, mentre gli orbitali saranno posizionati l'uno rispetto all'altro con un angolo di 109,5°.

Lo stesso tipo di ibridazione è presente in molecole come NH 3 , H 2 O. Su uno dei sp 3 - ibrido orbitali, nella molecola NH 3, c'è una coppia di elettroni solitari e gli altri tre orbitali sono usati per connettersi con atomi di idrogeno. Nella molecola H 2 O, due orbitali ibridi dell'atomo di ossigeno sono occupati da coppie di elettroni non condivisi, mentre gli altri due sono usati per legarsi con atomi di idrogeno.

Il numero di orbitali ibridi è determinato dal numero di singoli legami, nonché dal numero di coppie di elettroni non condivisi nella molecola. Questi elettroni sono in orbitali ibridi. Quando gli orbitali non ibridi di due atomi si sovrappongono, si forma un legame multiplo. Ad esempio, in una molecola di etilene, il legame si realizza come segue:

sp 2 -ibridazione di atomi di etilene

La disposizione planare di tre legami attorno a ciascun atomo di carbonio suggerisce che in questo caso sp 2 -ibridazione ( gli orbitali ibridi sono formati da uno 2 S— e due 2 R- orbitali ). Allo stesso tempo, uno 2 R- l'orbitale rimane inutilizzato (non ibrido). Gli orbitali saranno posizionati l'uno rispetto all'altro con un angolo di 120 °.

Allo stesso modo, nella molecola di acetilene si forma un triplo legame. In questo caso, succede sp-ibridazione atomi, cioè gli orbitali ibridi sono formati da uno 2 S— e uno 2 R- orbitali e due 2 R Gli orbitali non sono ibridi. Gli orbitali si trovano l'uno rispetto all'altro con un angolo di 180 °

I seguenti sono esempi della disposizione geometrica di orbitali ibridi.

Set di orbitali atomici	Set di orbitali ibridi	Disposizione geometrica di orbitali ibridi	Esempi
s, pag	sp	Lineare (angolo 180°)	Be (CH 3) 2, HgCl 2 MgBr 2, CaH 2, BaF 2, C 2 H 2
s,p,p	sp 2	Trigonale planare (angolo 120°)	BF 3, GaCl 3, InBr 3, TeI 3, C 2 H 4
s,p,p,p	sp 3	tetraedrico (angolo 109,5°)	CH 4, AsCl 4 -, TiCl 4, SiCl 4, GeF 4
s,p,p,d	sp2d	Quadrato piatto (angolo di 90°)	Ni(CO) 4 , 2 -
s,p,p,p,d	sp 3 d	Bipiramidale trigonale (angoli 120° e 90°)	PF 5 , PCl 5 , AsF 5
s,p,p,p,d,d	sp 3 d 2	Ottaedrico (angolo di 90°)	SF 6 , Fe(CN) 6 3- , CoF 6 3-

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modello di atomo di carbonio

Gli elettroni di valenza di un atomo di carbonio si trovano in un orbitale 2s e in due orbitali 2p. Gli orbitali 2p si trovano ad un angolo di 90° l'uno rispetto all'altro e l'orbitale 2s ha una simmetria sferica. Pertanto, la disposizione degli orbitali atomici di carbonio nello spazio non spiega la presenza di angoli di legame 109,5°, 120° e 180° nei composti organici.

Per risolvere questa contraddizione, la nozione ibridazione di orbitali atomici. Per comprendere la natura delle tre opzioni per la disposizione dei legami dell'atomo di carbonio, erano necessarie idee su tre tipi di ibridazione.

Dobbiamo l'emergere del concetto di ibridazione a Linus Pauling, che ha fatto molto per sviluppare la teoria del legame chimico.

Il concetto di ibridazione spiega come un atomo di carbonio cambia i suoi orbitali per formare composti. Di seguito considereremo passo dopo passo questo processo di trasformazione orbitale. Allo stesso tempo, va tenuto presente che la divisione del processo di ibridazione in stadi o stadi non è, infatti, altro che un dispositivo mentale che consente una presentazione più logica e accessibile del concetto. Tuttavia, le conclusioni sull'orientamento spaziale dei legami dell'atomo di carbonio, a cui arriveremo alla fine, corrispondono pienamente allo stato reale delle cose.

Configurazione elettronica dell'atomo di carbonio allo stato fondamentale ed eccitato

La figura a sinistra mostra la configurazione elettronica di un atomo di carbonio. Ci interessa solo il destino degli elettroni di valenza. Come risultato del primo passaggio, che viene chiamato eccitazione o promozione, uno dei due elettroni 2s si sposta su un orbitale 2p libero. Nella seconda fase, avviene lo stesso processo di ibridazione, che può essere in qualche modo convenzionalmente immaginato come una miscela di uno s- e tre p-orbitali e la formazione di quattro nuovi orbitali identici da essi, ciascuno dei quali conserva le proprietà della s -orbitale di un quarto e le proprietà degli orbitali p. Questi nuovi orbitali sono chiamati sp 3 - ibrido. Qui, l'apice 3 denota non il numero di elettroni che occupano gli orbitali, ma il numero di p-orbitali che hanno preso parte all'ibridazione. Gli orbitali ibridi sono diretti ai vertici del tetraedro, al centro del quale c'è un atomo di carbonio. Ogni orbitale ibrido sp 3 contiene un elettrone. Questi elettroni partecipano al terzo stadio della formazione di legami con quattro atomi di idrogeno, formando angoli di legame di 109,5°.

sp3 - ibridazione. molecola di metano.

La formazione di molecole planari con angoli di legame di 120° è mostrata nella figura seguente. Qui, come nel caso dell'ibridazione sp 3, il primo passo è l'eccitazione. Nella seconda fase, un orbitale 2s e due 2p partecipano all'ibridazione, formandone tre Sp 2 -ibrido orbitali situati sullo stesso piano con un angolo di 120° l'uno rispetto all'altro.

Formazione di tre orbitali ibridi sp2

Un p-rorbitale rimane non ibridato e si trova perpendicolare al piano degli orbitali ibridi sp 2. Quindi (terzo passaggio) due orbitali ibridi sp 2 di due atomi di carbonio combinano gli elettroni per formare un legame covalente. Tale legame, formato dalla sovrapposizione di due orbitali atomici lungo la linea che collega i nuclei di un atomo, è chiamato σ-legame.

La formazione di legami sigma e pi nella molecola di etilene

Il quarto stadio è la formazione di un secondo legame tra due atomi di carbonio. Il legame si forma come risultato della sovrapposizione dei bordi degli orbitali 2p non ibridati uno di fronte all'altro ed è chiamato π-legame. Il nuovo orbitale molecolare è un insieme di due regioni occupate dagli elettroni del legame π - sopra e sotto il legame σ. Entrambi i legami (σ e π) formano insieme doppio legame tra atomi di carbonio. E infine, l'ultimo, quinto passaggio è la formazione di legami tra atomi di carbonio e idrogeno utilizzando gli elettroni dei quattro orbitali ibridi sp 2 rimanenti.

Doppio legame nella molecola di etilene

Il terzo e ultimo tipo di ibridazione è mostrato dall'esempio della molecola più semplice contenente un triplo legame, la molecola di acetilene. Il primo passo è l'eccitazione dell'atomo, la stessa di prima. Nella seconda fase, si verifica l'ibridazione di un orbitale 2s e uno 2p con la formazione di due Sp-ibrido orbitali che hanno un angolo di 180°. E i due orbitali 2p necessari per la formazione di due legami π rimangono invariati.

Formazione di due orbitali sp-ibridi

Il passo successivo è la formazione di un legame σ tra due atomi di carbonio ibridizzati sp, quindi si formano due legami π. Un legame σ e due legami π tra due atomi di carbonio insieme costituiscono triplo legame. Infine, si formano legami con due atomi di idrogeno. La molecola di acetilene ha una struttura lineare, tutti e quattro gli atomi giacciono sulla stessa linea retta.

Abbiamo mostrato come i tre principali tipi di geometria molecolare in chimica organica nascano come risultato di varie trasformazioni degli orbitali atomici del carbonio.

Si possono proporre due metodi per determinare il tipo di ibridazione di vari atomi in una molecola.

Metodo 1. Il modo più generale, adatto a qualsiasi molecola. In base alla dipendenza dell'angolo di legame dall'ibridazione:

a) angoli di legame di 109,5°, 107° e 105° indicano l'ibridazione sp 3;

b) un angolo di valenza di circa 120° - sp 2 - ibridazione;

c) angolo di valenza 180°-sp-ibridazione.

Metodo 2. Adatto per la maggior parte delle molecole organiche. Poiché il tipo di legame (singolo, doppio, triplo) è associato alla geometria, è possibile determinare il tipo della sua ibridazione dalla natura dei legami di un dato atomo:

a) tutti i legami sono semplici - sp 3 -ibridazione;

b) un doppio legame - sp 2 -ibridazione;

c) un triplo legame - sp-ibridazione.

L'ibridazione è un'operazione mentale di trasformazione di orbitali atomici ordinari (energeticamente più favorevoli) in nuovi orbitali, la cui geometria corrisponde alla geometria delle molecole determinata sperimentalmente.

I. Introduzione. Caratteristiche stereochimiche dell'atomo di carbonio.

La stereochimica è una parte della chimica dedicata allo studio della struttura spaziale delle molecole e dell'influenza di questa struttura sulle proprietà fisiche e chimiche di una sostanza, sulla direzione e velocità delle loro reazioni. Gli oggetti di studio della stereochimica sono principalmente le sostanze organiche. La struttura spaziale dei composti organici è associata principalmente alle caratteristiche stereochimiche dell'atomo di carbonio. Queste caratteristiche dipendono, a loro volta, dallo stato di valenza (tipo di ibridazione).

In condizione sp3- ibridazione, l'atomo di carbonio è legato a quattro sostituenti. Se immaginiamo un atomo di carbonio situato al centro di un tetraedro, i sostituenti si troveranno agli angoli del tetraedro. Un esempio è la molecola di metano, la cui geometria è riportata di seguito:

Se tutti e quattro i sostituenti sono uguali (СH 4 , CCl 4), la molecola è un tetraedro regolare con angoli di valenza 109 o 28". legami - il tetraedro diventa irregolare.

In condizione sp2- ibridazione, l'atomo di carbonio è legato a tre sostituenti, con tutti e quattro gli atomi che giacciono sullo stesso piano; gli angoli di legame sono 120 o. Tra due atomi di carbonio adiacenti che si trovano nello stato sp2- l'ibridazione, si stabilisce, come sapete, non solo il solito sigma -connessione (quando la densità elettronica massima si trova esattamente su una linea immaginaria che collega i nuclei degli atomi interagenti), ma anche un secondo legame di tipo speciale. Questo cosiddetto pi -connessione formato per sovrapposizione non ibridato R- orbitali.

La maggiore sovrapposizione può essere ottenuta con una disposizione parallela di p-orbitali: è questa posizione che è energeticamente più favorevole, la sua violazione richiede il dispendio di energia per rompere il legame pi. Pertanto, non c'è rotazione libera attorno al doppio legame carbonio-carbonio (un'importante conseguenza della mancanza di rotazione libera attorno al doppio legame è la presenza di isomeri geometrici; vedere la sezione II.2).

Per un legame pi su una linea che collega i nuclei degli atomi interagenti, la densità elettronica è zero; è massima "sopra" e "sotto" il piano in cui si trova la connessione tra di loro. Per questo motivo, l'energia di un legame pi è inferiore a quella di un legame sigma e nella maggior parte delle reazioni organiche per composti contenenti legami pi e sigma, i legami pi meno forti vengono rotti per primi.