-Електронна хмара зв’язку Геометрія молекули

між атомами Карбону етилену

Мал.25

У похідних етилену можливе існування геометричної (цис – транс – ізомерії), яке зумовлене різним розташуванням замісників біля карбонових атомів відносно подвійного зв’язку. Пояснимо це явище на прикладі дихлоретилену CHCl = CHCl, який можна добути у вигляді двох геометричних ізомерів; ці ізомери мають різні фізичні та хімічні властивості:

Геометрична ізомерія насичених сполук невідома; наприклад, дихлоретан СН₂Cl – CH₂Cl не має ізомерів, зумовлених різним розташуванням обох груп СН₂Cl відносно простого зв’язку С – С, бо навколо нього можливе вільне обертання атомів. Але ретельне вивчення фізичних властивостей різних насичених сполук показує, що внутрішнє обертання навколо простих зв’язків у багатьох випадках загальмоване, а не вільне: воно потребує певної витрати енергії. Ця обставина зумовлює існування молекул у вигляді енергетично нерівноцінних форм, які більш – менш легко можуть переходити одна в одну тільки внаслідок обертання навколо простого зв’язку. Такі форми називають конформаціями.

Мал.26 Крива залежності потенціальної енергії молекули дихлоретану від будови поворотних ізомерів.

Дієнові вуглеводні містять два подвійні зв’язки, тип гібридизації і механізм її утворення аналогічний до алкенів (мал.27)

.

Мал.27 Схема утворення о-зв'язків у молекулі бутадієну та схема перекривання хмар р-електронів

У молекулі ацетилену відстань між ядрам атомів Карбону – 0,12 нм, атоми Карбону перебувають у стані sp – гібридизації.

У випадку потрійного зв’язку в гібридизації беруть участь по одному s – і p - електрону. В кожного атома Карбону є дві гібридизовані орбіталі, які максимально віддалені одна від одної ( кут 180 ^о) . По одній орбіталі вони витрачають на утворення - зв’язку С – С, інші орбіталі ідуть на утворення зв’язків C - Н ( мал. 28.)

Схема утворення двох гібридних електронних хмар атома Карбону.

Мал. 28 Схема утворення о-зв'язків у молекулі ацетилену.

Ті дві негібридизовані р- орбіталі, які залишилися в кожного атома Карбону, взаємно перекриваються, в результаті чого утворюються два - зв’язки, розташовані взаємно перпендикулярно (мал.29.)

Мал.29 Схема утворення - зв’язків у молекулі ацетилену

Атоми Карбону в молекулі бензену перебувають у стані sp² – гібридизації .В кожного атома Карбону три гібридні орбіталі розташовані в одній площині під кутом 120 ^о. З них дві орбіталі перекриваються з такими ж орбіталями сусідніх атомів Карбону з утворенням - зв’язків С – С, а третя орбіталь, перекриваючись з s – орбіталлю атома Гідрогену, утворює ще один - зв’язок С – Н. В результаті цих перекривань утворюються - зв’язки, розташовані в одній площині (мал.30)

Мал.30 Схема утворення о-зв'язків у молекулі бензену і геометрія молекули.

Але у кожного атома Карбону залишається ще по одній негібридизованій орбіталі у формі симетричної вісімки. Оскільки ці орбіталі розташовані паралельно одна до одної і перпендикулярно до площини - зв’язку, вони взаємно перекриваються і утворюється єдина для всієї молекули - електронна хмара, густина якої симетрично ділиться на дві частини площиною - зв’язків ( мал.31). Під впливом - електронної системи ядра атомів Карбону зближуються, відстань між ними скорочується до 0,14 нм . Електронна густина в молекулі бензену розподіляється рівномірно, томі зв’язки між атомами Карбону однакові. Таким чином, бензенове ядро - це стійка, міцна система. Хімічний зв’язок у молекулі бензену та його гомологах часто називають ароматичним.

Мал. 31 Схема перекривання хмар р-електронів у молекулі бензену та - електронна хмара

Одноатомні спирти можна розглядати як похідні насичених вуглеводнів, в молекулах яких один атом Гідрогену заміщений на гідроксильну групу. У цих молекулах атоми сполучені між собою ковалентними - зв’язками. (мал.32)

Мал. 32 Схема утворення -зв'язків у молекулі метанолу.

Особливості електронної будови альдегідів і кетонів зумовлені наявністю в їх молекулах карбонільної групи. В карбонільні групі атом Карбону перебуває в стані sp² –гібридизації. В формальдегіді три орбіталі атома Карбону витрачаються на утворення - зв’язків з двома атомами гідрогену і атомом Оксигену (мал. 33) . Ці зв’язки, як і в молекулі етилену, розташовані в одній площині під кутом 120 ^о. Орбіталь негібридизованого р – електрона атома Карбону розташована перпендикулярно до площини - зв’язку. Атом Оксигену однією р – орбіталлю сполучений з атомом Карбону (зв’язок С – О), другою р – орбіталлю, розташованою перпендикулярно до першої, утворює з не гібридизованою р – орбіталлю Карбону - зв’язок. Не дивлячись на певну подібність в електронній будові карбонільної групи і подвійного зв’язку молекули етилену, між ними існує велика різниця: електронна густина в молекулі етилену рівномірно і симетрично розподілена між атомами Карбону; в карбонільній групі електронна густина зміщена від Карбону до Оксигену як до більш електронегативного атома, тобто зв’язок С = О сильно полярний: на атомі Карбону виникає частковий позитивний заряд, на атомі Оксигену – частковий негативний:

+ -

R C = O

I

H