2. Ковалентные связи в соединениях углерода

Ковалентные связи, свойства, способы и причины образования – школьная программа.

Напомню, лишь что:

1. Образование связимежду атомами можно рассматривать как результат перекрывания их атомных орбиталей, при этом, чем оно эффективнее (больше интеграл перекрывания), тем прочнее связь.

Согласно расчетным данным, относительные эффективности перекрывания атомных орбиталей S_отнвозрастают следующим образом:

Следовательно, использование гибридных орбиталей, например, sp³-орбиталей углерода в образовании связей с четырьмя атомами водорода, приводит к возникновению более прочных связей.

2.Ковалентные связи в соединениях углерода образуются двумя способами:

А) Если две атомные орбитали перекрываются вдоль их глав­ных осей, то образующуюся связь называют—σ-связью.

Геометрия.Так, при обра­зовании связей с атомами водорода в метане четыре гибридныеsр³~орбитали атома углерода перекрываются сs-орбиталями четырех атомов водорода, образуя четыре идентичные прочные σ-связи, располагающиеся под углом 109°28' друг к другу (стандартный тетраэдрический угол). Сходная строго симмет­ричная тетраэдрическая структура возникает также, например, при образовании ССl₄; если же атомы, образующие связи с уг­леродом, неодинаковы, например, в случае СН₂С1₂, пространст­венная структура будет несколько отличаться от полностью симметричной, хотя по существу она остается тетраэдрической.

Длина σ-связимежду атомами углерода зависит от гибридизации атомов и уменьшается при переходе отsр³– гибридизации кsр. Это объясняется тем, чтоs– орбиталь находится ближе к ядру, чем р-орбиталь, поэтому, чем больше её доля в гибридной орбитале, тем она короче, а следовательно, короче и образующаяся связь

Б) Если две атомные p-орбитали, расположенные параллельно друг другу, осуществляют боковое перекрывание над и под плоскостью, где расположены атомы, то образующуюся связь называют—π(пи) -связью

Боковое перекрывание атомных орбиталей менее эффективно, чем перекры­вание вдоль главной оси, поэтомуπ-связи менее прочны, чемσ-связи. Это проявляется, в частности, в том, что энергия двойной углерод-углеродной связи превышает энергию одинарной связи менее чем в два раза. Так, энергия связи С—С в этане равна 347 кДж/моль, тогда как энергия связи С = С в этене составляет только 598 кДж/моль, а не ~ 700 кДж/моль.

Степень бокового перекрывания двух атомных 2р-орбиталей, а следовательно, и прочностьπ-связи максимальна, если два атома углерода и четыре связанные с нимиатомы расположены строго в одной плоскости, т. е. если оникопланарны, поскольку только в этом случае атомные 2р-орбитали точно параллельны одна другой и поэтому способны к максимальному перекрыванию. Любое отклонение от копланарного состояния вследствие пово­рота вокругσ-связи, соединяющей два атома углерода, приве­дет к уменьшению степени перекрывания и соответственно к снижению прочностиπ-связи, которая, таким образом, способ­ствует сохранению плоскостности молекулы.

Вращениевокруг двойной углерод-углеродной связи невозможно.

Распределение π-электронов над и под плоскостью молекулы означает су­ществованиеобласти отрицательного заряда, готовой к взаимо­действию с любыми электронодефицитными реагентами.

Атомы кислорода, азота и др. также имеют разные валентные состояния (гибридизации), при этом их электронные пары могут находиться как на гибридных, так и p-орбиталях.