2.3. Ковалентные связи с участием атома углерода

В основном состоянии атом углерода С (1s²2s²2p²) имеет два неспаренных электрона, за счет которых могут образовать только две общие электронные пары. Однако в большинстве своих соединений углерод четырехвалентен. Это объясняется тем, что атом углерода, поглощая небольшое количество энергии, переходит в возбужденное состояние, в котором он имеет 4 неспаренных электрона, т.е. способен образовывать четыре ковалентные связи и принимать участие в формировании четырех общих электронных пар:

₆С 1s²2s²2p² ₆С^* 1s²2s¹2p³.

2

↑↓

↑

↑

2

↑

↑

↑

↑

1

↑↓

p

1

↑↓

p

s

s

Энергия возбуждения компенсируется образованием химических связей, которое происходит с выделением энергии.

Атомы углерода обладают способностью к образованию трех видов гибридизации электронных орбиталей (sp³, sp², sp) и образованию между собой кратных (двойных и тройных) связей (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Типы гибридизации и геометрия молекул

Связь	Тип гибри-дизации	Характер связи	Валентный угол	Геометрия молекул	Длина связи, нм	Энергия связи, кДж	Примеры
С – С	sp3		109°29’	Тетраэдри-ческая	0,154	335	CH4
C = C	sp2	 + 	120°	Плоская	0,134	592	C2H4
C Ξ C	sp	+2	180°	Линейная	0,120	811	C2H2

Простая (одинарная) - связь осуществляется при sp³-гибридизации, при которой все четыре гибридных орбитали равноценны и имеют направленность в пространстве под углом 109°29^’ друг к другу и ориентированы к вершинам правильного тетраэдра (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Образование молекулы метана СН₄

Если гибридные орбитали углерода перекрываются с шарообразными s-орбиталями атома водорода, то образуется простейшее органическое соединение метан СН₄ − предельный углеводород.

Большой интерес представляет изучение связей атомов углерода между собой и с атомами других элементов. Рассмотрим строение молекул этана, этилена и ацетилена.

Углы между всеми связями в молекуле этана почти точно равны между собой (рис. 2.9) и не отличаются от углов С − Н в молекуле метана.

Следовательно, атомы углерода находятся в состоянии sp³-гибридизации.

Рис. 2.9. Молекула этана С₂Н₆

Гибридизация электронных орбиталей атомов углерода может быть и неполной, т.е. в ней могут участвовать две (sp² -гибридизация) или одна (sp-гибридизация) из трех р-орбиталей. В этом случае между атомами углерода образуются кратные связи (двойная или тройная). Углеводороды с кратными связями называются непредельными или ненасыщенными. Двойная связь (С=С) образуется при sp²-гибридизации.

В этом случае у каждого из атомов углерода одна из трех р-орбиталей не участвует в гибридизации, в результате образуются три sp²-гибридные орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу, а негибридная 2р-орбиталь располагается перпендикулярно этой плоскости. Два атома углерода соединяются между собой, образуя одну -связь за счет перекрывания гибридных орбиталей и одну -связь за счет перекрывания р-орбиталей.

Взаимодействие свободных гибридных орбиталей углерода с 1s-орбиталями атомов водорода приводит к образованию молекулы этилена С₂Н₄ (рис. 2.10) – простейшего представителя непредельных углеводородов.

Рис. 2.10. Образование молекулы этилена С₂Н₄

Перекрывание электронных орбиталей в случае -связи меньше и зоны с повышенной электронной плотностью лежат дальше от ядер атомов, поэтому эта связь менее прочная, чем -связь.

Тройная связь образуется за счет одной -связи и двух -связей. Электронные орбитали при этом находятся в состоянии sp-гибридизации, образование которой происходит за счет одной s- и одной р-орбиталей (рис. 2.11).

Две гибридные орбитали располагаются под углом 180° относительно друг друга, а оставшиеся негибридные две р-орбитали располагаются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Образование тройной связи имеет место в молекуле ацетилена С₂Н₂ (см. рис. 2.11).

Рис. 2.11. Образование молекулы ацетилена С₂Н₂

Особый вид связи возникает при образовании молекулы бензола (С₆Н₆) – простейшего представителя ароматических углеводородов.

Бензол содержит шесть атомов углерода, связанных между собой в цикл (бензольное кольцо), при этом каждый атом углерода находится в состоянии sp²-гибридизации (рис. 2.12).

Рис. 2.12. sp² – орбитали молекулы бензола С₆Н₆

Все атомы углерода, входящие в молекулу бензола расположены в одной плоскости. У каждого атома углерода в состоянии sp²-гибридизации имеется еще одна негибридная р-орбиталь с неспаренным электроном, которая образует -связь (рис. 2.13).

Ось такой р-орбитали расположена перпендикулярно плоскости молекулы бензола.

Все шесть негибридных р-орбиталей образуют общую связывающую молекулярную -орбиталь, а все шесть электронов объединяются в -электронный секстет.

Граничная поверхность такой орбитали расположена над и под плоскостью углеродного -скелета. В результате кругового перекрывания возникает единая делокализованная -система, охватывающая все углеродные атомы цикла (рис. 2.13).

Бензол схематически изображают в виде шестиугольника с кольцом внутри, которое указывает на то, что имеет место делокализация электронов и соответствующих связей.

Рис. 2.13. -связи в молекуле бензола С₆Н₆