Углерод в обычном и возбужденном состоянии. Электронное строение атома углерода. Урок: Электронное строение атома углерода

Атом углерода - основа органических веществ, поэтому его электронное строение представляет особый интерес при изучении органической химии.

Углерод - первый элемент IV группы периодической системы элементов Д.И.Менделеева. Два его электрона (в состоянии Is 2) находятся на внутреннем Д-у ровне, а на внешнем, Д-уровне, - четыре электрона (в состоянии 2s 2 2p 2).

Потеря четырех электронов с Д-уровня (с образованием катиона С 4+) энергетически невыгодна, так как при этом каждый из электронов должен преодолеть притяжение положительно заряженного ядра. Приобретение же четырех электронов для образования октета на внешнем Д-уровне также маловероятно (образование С 4 "). Для этого необходимо преодолеть отталкивание между электронами, что также связано с очень большой затратой энергии. Итак, на внешнем энергетическом уровне атом углерода сохраняет четыре электрона. Как они распределяются по подуровням и орбиталям?

Электронная конфигурация изолированного атома углерода в основном (невозбужденном) состоянии выглядит так:

В этой схеме число неспаренных электронов на р-подуровне не совпадает с его обычной четырехвалентностью (известно, что валентность атома связывают с числом неспаренных электронов на его внешнем энергетическом уровне). Согласно же приведенной схеме распределения электронов по орбиталям может показаться, что у углерода валентность равна двум. Это противоречие можно устранить, если принять во внимание, что атом углерода (как и любой другой) .во время химической реакции возбуждается - меняет свое электронное состояние (условно обозначается как С*). При этом происходит распаривание 2s-электронов и переход одного из них на свободную 2р-орби- таль:

В результате такого перехода электронов на внешнем энергетическом уровне атома углерода оказываются четыре неспаренных электрона - один 2s и три 2р. Это, естественно, требует определенной энергии, но она затем с избытком компенсируется при образовании четырех ковалентных связей.

Таким образом, атом углерода о органических соединениях находится в возбужденном состоянии и его валентность равна четырем.

Четыре неспаренных электрона, которые находятся на //-уровне атома углерода, различны по своему состоянию (один 2s и три 2р). Это предполагало, что неравноценными могут быть и четыре связи, которые образует углеродный атом с любым другим атомом (например, водородом). Например, в молекуле метана одна из связей будет образована только s-электронами (s-s-связь), а три других-s- и р-электронами (s-p-связи). В действительности же, в симметрично построенных органических соединениях (например, в СН4 и CCI4) все четыре связи (С~С

или С-С1) одинаковы. Для объяснения этого факта было введено понятие о гибридизации (смешении) орбиталей. Согласно этой гипотезе электроны в молекулах распределяются не на "чистых" s- и р-орбиталях, а на усредненных, обладающих одинаковой

Рис.4. Схема гибридной ip-орбитали энергией. Такие электронные

орбитали называют гибридными. Их форма отличается от форм исходных 2s- и 2р-орбиталей и представляет собой неправильную "восьмерку", один из "лепестков" которой значительно вытянут и имеет бблыпую электронную плотность (рис. 4). Такие гибридные орбитали в ббльшей степени, чем обычные, могут перекрываться с орбиталями других атомов.

Для атома углерода возможны три типа гибридизации (три валентных состояния).

5р 3 -Гибридизадия - смешение одной 2s- и трех 2р-орбиталей. Все четыре гибридные орбитали строго ориентированы в пространстве под углом 109°28" друг к другу, создавая утолщенными "лепестками" геометрическую фигуру - тетраэдр (рис. 5). Поэтому э^-гибридизо- ванный атом углерода часто называют "тетраэдрическим". Состояние углеродного атома с врЗ-гибридными орбиталями (первое валентное состояние) характерно для предельных углеводородов - алканов.

Рис. 5. Схема образования четырех зр 3 -гибридных орбиталей: а б - орбитали атома углерода в состоянии $р 3 -гибридизации

лр 2 -Гибридизация - смешение одной 2 s- и двух 2р-орбиталей. Три гибридные орбитали расположены в одной плоскости под углом 120° друг к другу (форма трехлопастного пропеллера) (рис. 6). Оставшаяся 2р-орбиталь не гибридизована и перпендикулярна плоскости, в которой расположены три эрЗ-гибридные орбитали. Состояние атома углерода с врЗ-гибридными орбиталями (второе валентное состояние) характерно для непредельных углеводородов ряда этилена - алкенов.

Рис. 6. Схема образования трех зрЗ-рибридных орбиталей: а - негибридизованные орбитали атома углерода; б - орбитали 1 атома углерода в состоянии sp 2 -rv fipидизации

sp-Г ибридизация - смешение одной 2s- и одной 2р-орбитали. Две гибридные орбитали расположены на одной прямой линии под углом 180° друг к другу (рис. 7). Остальные две негибридизованные 2р- орбитали расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Состояние атома углерода с sp-гибридными орбиталями (третье валентное состояние) характерно для непредельных углеводородов ацетиленового ряда - алкинов.

Рис.7. Схема образования двух sp-гибридных орбиталей: а - негибридизованные орбитали атома углерода; б - орбитали атома углерода в состоянии зр-гибридизации

Связь между типом гибридизации орбиталей и характером углеродных атомов показана в табл. 3.

Таблица 3. Гибридные орбитали и характер углеродных атомов

Однако гибридизация - всего лишь гипотеза , не подтвержденная экспериментально. Но она является настолько плодотворной, что позволяет судить о химической связи в органических соединениях и об их пространственном строении.

Модель атома углерода

Валентные электроны атома углерода располагаются на одной 2s-орбитали и двух 2р-орбиталях. 2р-Орбитали расположены под углом 90° друг к другу, а 2s-орбиталь имеет сферическую симметрию. Таким образом, расположение атомных орбиталей углерода в пространстве не объясняет возникновения в органических соединениях валентных углов 109,5°, 120° и 180°.

Чтобы разрешить это противоречие, было введено понятие гибридизации атомных орбиталей. Для понимания природы трех вариантов расположения связей атома углерода понадобились представления о трех типах гибридизации.

Возникновением концепции гибридизации мы обязаны Лайнусу Полингу, много сделавшему для развития теории химической связи.

Концепция гибридизации объясняет, каким образом атом углерода видоизменяет свои орбитали при образовании соединений. Ниже мы будем рассматривать этот процесс трансформации орбиталей постадийно. При этом надо иметь в виду, что расчленение процесса гибридизации на стадии или этапы есть, на самом деле, не более чем мысленный прием, позволяющий более логично и доступно изложить концепцию. Тем не менее заключения о пространственной ориентации связей углеродного атома, к которым мы в итоге придем, полностью соответствуют реальному положению дел.

Электронная конфигурация атома углерода в основном и возбужденном состоянии

На рисунке слева показана электронная конфигурация атома углерода. Нас интересует только судьба валентных электронов. В результате первого шага, который называют возбуждением или промотированием , один из двух 2s-электронов перемещается на свободную 2р-орбиталь. На втором этапе происходит собственно процесс гибридизации, который несколько условно можно представить себе как смешение одной s- и трех р-орбиталей и образование из них четырех новых одинаковых орбиталей, каждая из которых на одну четверть сохраняет свойства s-орбитали и на три четверти - свойства р-орбиталей. Эти новые орбитали получили название sp 3 -гибридных . Здесь надстрочный индекс 3 обозначает не число электронов, занимающих орбитали, а число р-орбиталей, принявших участие в гибридизации. Гибридные орбитали направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом углерода. На каждой sp 3 -гибридной орбитали находится по одному электрону. Эти электроны и участвуют на третьем этапе в образовании связей с четырьмя атомами водорода, образуя валентные углы 109,5°.

sp3 — гибридизация. Молекула метана.

Образование плоских молекул с валентными углами 120° показано на рисунке ниже. Здесь, как и в случае sp 3 -гибридизации, первый шаг - возбуждение. На втором этапе в гибридизации участвуют одна 2s- и две 2р — орбитали, образуя три s р 2 -гибридных орбитали, расположенных в одной плоскости под углом 120° друг к другу.

Образование трех sр2-гибридных орбиталей

Одна p-рорбиталь остается негибридизованной и располагается перпендикулярно плоскости sр 2 –гибридных орбиталей. Затем (третий шаг) две sр 2 -гибридные орбитали двух углеродных атомов объединяют электроны, образуя ковалентную связь. Такая связь, образующаяся в результате перекрывания двух атомных орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра атома, называется σ -связью .

Образование сигма — и пи-связей в молекуле этилена

Четвертый этап - образование второй связи между двумя углеродными атомами. Связь образуется в результате перекрывания обращенных друг к другу краев негибридизованных 2р-орбиталей и называется π-связью . Новая молекулярная орбиталь представляет собой совокупность двух занятых электронами π-связи областей - над и под σ-связью. Обе связи (σ и π) вместе составляют двойную связь между атомами углерода. И наконец, последний, пятый шаг - образование связей между атомами углерода и водорода с помощью электронов четырех оставшихся sр 2 -гибридных орбиталей.

Двойная связь в молекуле этилена

Третий, последний тип гибридизации, показан на примере простейшей молекулы, содержащей тройную связь,- молекулы ацетилена. Первый шаг - возбуждение атома, такой же, как раньше. На втором этапе происходит гибридизация одной 2s- и одной 2р-орбиталей с образованием двух s р-гибридных орбиталей, которые располагаются под углом 180°. И остаются не измененными две 2р-орбитали, необходимые для образования двух π-связей.

Образование двух sр-гибридных орбиталей

Следующий шаг - образование σ-связи между двумя sр-гибридизованными углеродными атомами, затем образуются две π-связи. Одна σ-связь и две π-связи между двумя атомами углерода вместе составляют тройную связь . И наконец, образуются связи с двумя атомами водорода. Молекула ацетилена имеет линейное строение, все четыре атома лежат на одной прямой.

Мы показали, каким образом три основных в органической химии типа геометрии молекул возникают в результате различных трансформаций атомных орбиталей углерода.

Можно предложить два способа определения типа гибридизации различных атомов в молекуле.

Способ 1 . Наиболее общий способ, пригодный для любых молекул. Основан на зависимости валентного угла от гибридизации:

а) валентные углы 109,5°, 107° и 105° свидетельствуют об sр 3 -гибридизации;

б) валентный угол около 120° -sр 2 -гибридизация;

в) валентный угол 180°-sp-гибридизация.

Способ 2 . Пригоден для большинства органических молекул. Поскольку тип связи (простая, двойная, тройная) связан с геометрией, можно по характеру связей данного атома определить тип его гибридизации:

а) все связи простые – sр 3 -гибридизация;

б) одна двойная связь – sр 2 -гибридизация;

в) одна тройная связь — sp-гибридизация.

Гибридизация — это мысленная операция превращения обычных (энергетически наиболее выгодных) атомных орбиталей в новые орбитали, геометрия которых соответствует экспериментально определенной геометрии молекул.

В ходе урока вы изучите тему «Электронное строение атома углерода». Будет сформировано понятие об электронных орбиталях и возможных валентных состояниях атома углерода, рассматривается принцип Пауля. Проводится составление электронно-графических формул атомов химических элементов.

Тема: Введение в органическую химию

Урок: Электронное строение атома углерода

Рис. 1. Уравнение Шредингера

Особенности строения органических соединений связаны с особенностями строения атома углерода. Особенности строения атома углерода объясняет наука квантовая механика. Основные положения квантовой механики сводятся к необходимости решить уравнение Шредингера, описывающее поведение электронов в атоме. Рис. 1. В результате решения получается набор, описываемый 4-мя квантовыми числами, которые позволяют предсказать очень многое в свойствах атома. Квантово-механические расчеты позволяют определить наиболеее устойчивые конфигурации атомов и молекул.

Описание электронного состояния атома

Рис. 2. Атом водорода

Рассмотрим простейший атом - атом водорода. Он состоит из одного электрона и одного протона. Рис. 2. Энергию электрона в атоме водорода можно представить как большую лестницу в многоэтажном здании. Наибольшая энергия присутствует на так называемых лестничных пролетах.

· В квантоой механике - это главное квантовое число.( n). Оно принимает значения 1, 2, 3, 4 и т. д.

· Орбитальное квантовое число можно представить как ступеньки между лестничными пролётами. Оно принимает значения от нуля l = 0, 1, 2,.. до n-1.

Буквенные обозначения орбитального квантового числа: s, p, d, f и т. д.

· Поведение электрона описывает третье число: магнитное квантовое число m l

(m l)= -l,…-2, -1, 0, +1, +2,…+l

· Спиновое квантовое число m s . Оно принимает значения m s =+1/2, -1/2 , независимо от главного и орбитального квантовых чисел.

Спин электрона позволяет ему взаимодействовать с другим электроном, несмотря на электрические силы отталкивания, которые имеют очень большие величины. Рис. 3.

Рис. 3. Электроны с разными m s

Для описания поведения электрона в атоме нужен принцип, устанавливающий взаимосвязь всех квантовых чисел. Этот принцип вывел немецкий теоретик В. Паули. Рис. 4. Он гласит: В одной квантовой системе не может быть двух квантовых объектов с полностью одинаковым набором квантовых чисел. Т.е. в одном атоме не может быть двух одинаковых электронов. Используя квантовые числа и принцип Паули, получаем электронное строение атомов.

Рис. 5. Электронное строение атома углерода

Рассмотрим строение атома углерода. Углерод оказался уникальным атомом. В чем его уникальность? В нем присутствует некая симметрия. На 4-х орбиталях находится 4 электрона. Он может образовывать целых 4 связи. Это максимальное число связей для элементов второго периода. Рис. 5.

Углерод в своих соединениях проявляет валентность II и IV. Двухвалентный углерод находится в своей основной электронной конфигурации, а IV-валентный находится в возбужденной конфигурации. При переходе в возбужденное состояние, электрон с 2s орбитали занимает вакантное место на 2р орбитали. Рис. 6. При образовании химической связи происходит гибридизация электронных облаков. Углерод может проявлять степени окисления от -4 до +4. К неорганическим соединениям углерода относятся его оксиды, угольная кислота, её соли - карбонаты и гидрокарбонаты и карбиды. В неорганических соединениях углерод проявляет степень окисления +4, +2, и несколько отрицательных степеней окисления в карбидах.

Рис. 6. Два состояния атома углерода

Одной из особенностей атомов углерода есть его особенность образовывать цепочки неограниченной длины. Из-за этого и существует огромное число органических соединений .

Описание мира на основе четырех базовых первопринципов не было открытием тех ученых, которые создавали квантовую механику. С V века до нашей эры известно, что картина мира, как в европейской части земного шара, так и в Древнем Китае описывалась на базе 4-х первопринципов. Это принципы огня, воздуха, земли и воды. В XX веке их заменили 4 квантовых числа.

Подведение итога урока

В ходе урока вы изучили тему «Электронное строение атома углерода». Было сформировано понятие об электронных орбиталях и возможных валентных состояниях атома углерода, рассматривался принцип Пауля. Проводилось составление электронно-графических формул атомов химических элементов.

Список литературы

1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.

2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2008. - 463 с.

3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2010. - 462 с.

4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. - 4-е изд. - М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. - 278 с.

Домашнее задание

1. №№ 14, 15 (с. 11) Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень/ Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.

2. Сформулируйте принцип Паули.

3. В чем уникальность строения атома углерода?

Углерод является шестым элементом периодической системы Менделеева. Его атомный вес равен 12.

Углерод находится во втором периоде системы Менделеева и в четвёртой группе этой системы.

Номер периода сообщает нам, что шесть электронов углерода располагаются на двух энергетических уровнях.

А четвёртый номер группы говорит, что на внешнем энергетическом уровне у углерода находится четыре электрона. Два из них это спаренные s -электроны, а два другие – не спаренные р -электроны.

Структура внешнего электронного слоя атома углерода может быть выражена следующими схемами:

Каждая ячейка вэтих схемах означает отдельную электронную орбиталь, стрелка – элетрон, находящийся на орбитали. Две стрелки внутри одной ячейки – это два электрона, находящиеся на одной орбитали, но имеющие противоположно направленные спины.

При возбуждении атома (при сообщени ему энергии) один из спаренных S -электронов занимает р -орбиталь.

Возбуждённый атом углерода может учавствовать в образовании четырёх ковалентных связей. Поэтому в подавляющем большинстве своих соединений углерод проявляет валентность, равную четырем.

Так, простейшее органическое соединение углеводород метан имеет состав СН 4 . Строение его может быть выражено структурной или электронной формулами:

Электронная формула показывает, что атом углерода в молекуле метана имеет устойчивую восьмиэлектронную внешнюю оболочку, а атомы водорода – устойчивую двухэлектронную оболочку.

Все четыре ковалентных связи углерода в метане (и в других подобных соединениях) равноценны и симметрично направлены в пространстве. Атом углерода находится как бы в центре тетраэдра (правильной четырёхугольной пирамиды), а четыре соединённых с ним атома (в случае метана – четыре атома водорода) в вершинах тетраэдра.

Углы между направлениями любой пары связей одинаковы и составляют 109 градусов 28 минут.

Это объясняется тем, что в атоме углерода, когда он образует ковалентные связи с четырьмя другими атомами, из одной s - и трёх p -орбиталей в результате sp 3 -гибридизации образуются чтыре симметрично расположенные в пространстве гибридные sp 3 -орбитали, вытянутые в направлении к вершинам тетраэдра.

Особенность свойств углерода.

Количество электронов на внешнем энергетическом уровне является главным фактором, определяющим химические свойства элемента.

В левой части периодической системы расположены элементы с малозаполненным внешним электронным уровнем. У элементов первой группы на внешнем уровне один электрон, у элементов второй группы – два.

Элементы этих двух групп являются металлами . Они легко окисляются, т.е. теряют свои внешние электроны ипревращаются в положительные ионы.

В правой части периодической системы, наоборот, находятся неметаллы (окислители) . В сравнении с металлами они обладают ядром с большим числом протонов. Такое массивное ядро обеспечивает гораздо более сильное притяжение своего электронного облака.

Такие элементы с большим трудом теряют свои электроны, зато непрочь присоединить к себе дополнительные электроны других атомов, т.е. окислить их, а самим, при этом, превратиться в отрицательный ион.

Металлические свойства элементов по мере возрастания номера группы в периодической системе ослабляются, а их способность окислять другие элементы увеличивается.

Углерод находится в четвёртой группе, т.е. как раз посередине между металлами, легко отдающими электроны, и неметаллами, легко эти электроны присоединяющими.

По этой причине углерод не обладает ярко выраженной склонности отдавать или присоединять электроны .

Углеродные цепи.

Исключительным свойством углерода, обуславливающим многообразие органических соединений, является способность его атомов соединяться прочными ковалентными связями друг с другом, образуя углеродные схемы практически неограниченной длины.

Кроме углерода, цепи из одинаковых атомов образует его аналог из IV группы – кремний. Однако такие цепи содержат не более шести атомов Si. Известны длинные цепи из атомов серы, но содержащие их соединения непрочны.

Валентности атомов углерода, не задействованные для взаимного соединения, используются на присоединение других атомов или групп (в углеводородах – для присоединения водорода).

Так углеводороды этан (С 2 Н 6 ) и пропан (С 3 Н 8 ) содержат цепи соответственно из двух и трёх атомов углерода. Строение их выражают следующие структурные и электронные формулы:

Известны соединения, содержащие в цепях сотни и более атомов углерода.

Вследствии тетраэдрической направленности связей углерода, его атомы, входящие в цепь, располагаются не на прямой, а зигзагообразно. Причём, благодаря возможности вращения атомов вокруг оси связи, цепь в пространстве может принимать различные формы (конформации):

Такая структура цепей даёт возможность сближаться концевым или другим не смежным атомам углерода. В результате возникновения связи между этими атомами углеродные цепи могут замыкаться в кольца (циклы), например:

Таким образом, многообразие органических соединений определяется и тем, что при одинаковом числе атомов углерода в молекуле возможны соединения с открытой незамкнутой цепью углеродных атомов, а также вещества, молекулы которых содержат циклы.

Простые и кратные связи.

Ковалентные связи между атомами углерода, образованные одной парой обобщённых электронов, называются простыми связями.

Связь между атомами углерода может осуществляться не одной, а двумя или тремя общими парами электронов. Тогда получаются цепи с кратными – двойными или тройными связями. Эти связи можно изобразить следующим образом:

Простейшие соединения, содержащие кратные связи – углеводороды этилен (с двойной связью) и ацетилен (с тройной связью):

Углеводороды с кратными связями называются непредельными или ненасыщенными. Этилен и ацетилен – первые представители двух гомологических рядов – этиленовых и ацетиленовых углеводородов.