Что такое sp3 гибридизация углерода в химии

sp3-гибридизация углерода

Понятие и сущность sp3-гибридизации. Модель атома с sp3-гибридными орбиталями. Примеры соединений, для которых характерна sp3-гибридизация. Характеристика электронного строения атома углерода. Химические связи и гибридизация орбиталей атома углерода.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНОБРНАУКИ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Санкт-Петербургский государственный технологический институт

Профиль Технология электрохимических производств

Факультет Химии веществ и материалов

Кафедра Технология электрохимических производств

Учебная дисциплина Физико-химические методы анализа

На тему: «sp3 гибридизация углерода»

Работу выполнил студент Бундюк В.С.

Работу принял Юдина Н.С.

гибридизация атом орбиталь углерод

Образовывать химическую связь, т.е. создавать общую электронную пару с «чужим» электроном от другого атома, могут только неспаренные электроны. Неспаренные электроны при записи электронных формул находятся по одному в клетке-орбитали.

На втором энергетическом уровне кроме 2s-орбитали имеются три 2р-орбитали. Эти 2р-орбитали имеют эллипсоидную форму, похожую на гантели, и ориентированы в пространстве под углом 90° друг к другу. 2р-Орбитали обозначают 2р_х, 2р_y и 2р_z в соответствии с осями, вдоль которых эти орбитали расположены.

Форма и ориентация р-электронных орбиталей

Четыре sp 3 -гибридные орбитали атома углерода

Гибридные орбитали имеют асимметричную форму, вытянутую в сторону присоединяемого атома. Электронные облака взаимно отталкиваются и располагаются в пространстве максимально далеко друг от друга. При этом оси четырех sр3-гибридных орбиталей оказываются направленными к вершинам тетраэдра (правильной треугольной пирамиды).

Схема перекрывания электронных облаков в молекуле этана

Орбитали (три sp 2 и одна р) атома углерода в sp 2 -гибридизации

Ковалентная связь, образующаяся путем бокового перекрывания р-орбиталей соседних углеродных атомов, называется пи()-связью.

Образование -связи

Атомные орбитали (две sp и две р) углерода в состоянии sp-гибридизации

Электронное строение атома углерода

Атом углерода в возбужденном состоянии способен образовывать 4 ковалентных связи за счет 4 собственных неспаренных электронов и 4 электронов других атомов. Так, в случае углеводорода метана (СН4) атом углерода образует 4 связи с s-электронами атомов водорода. При этом должны были бы образовываться 1 связь типа s-s (между s-электроном атома углерода и s-электроном атома водорода) и 3 p-s-связи (между 3 р-электронами атома углерода и 3 s-электронами 3-х атомов водорода). Отсюда вытекает вывод о неравноценности четырех ковалентных связей, образуемых атомом углерода. Однако, практический опыт химии свидетельствует о том, что все 4 связи в молекуле метана абсолютно равноценны, а молекула метана имеет тетраэдрическое строение с валентными углами 109°, чего не могло бы быть при неравноценности связей. Ведь только орбитали р-электронов ориентированы в пространстве по взаимноперпендикулярным осям x, y, z, а орбиталь s-электрона имеет сферическую форму, поэтому направление образования связи с этим электроном было бы произвольным. Объяснить это противоречие смогла теория гибридизации. Л.Поллинг высказал предположение, что в любых молекулах не существует изолированных друг от друга связей. При образовании связей орбитали всех валентных электронов перекрываются. Известно несколько типов гибридизации электронных орбиталей. Предполагается, что в молекуле метана и других алканов в гибридизацию вступает 4 электрона.

Гибридизация орбиталей атома углерода

s + px+ py + pz = 4sp3

s + px + py + pz = 3sp2 + pz

s + px + py + pz = 2sp + py + pz

Вывод: sp3-гибридизация характерна для соединений углерода. В результате гибридизации одной s-орбитали и трех р-орбиталей образуются четыре гибридные sp3-орбитали, направленные к вершинам тетраэдра с углом между орбиталями 109°.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Развитие модельных представлений в квантовой химии. Метод валентных связей. Основные положения данного метода. Гибридизация атомных орбиталей и условия их образования. Правила выбора канонических форм. Гибридизация атома углерода и гибридных орбиталей.

презентация [284,1 K], добавлен 15.10.2013

Гибридизация – квантово-химический способ описания перестройки орбиталей атома в молекуле по сравнению со свободным атомом. Изменение формы и энергии орбиталей атома при образовании ковалентной связи и достижения более эффективного перекрывания орбиталей.

презентация [788,9 K], добавлен 22.11.2013

Представление о строении метана (молекулярная, электронная и структурная формулы). Физические свойства, нахождение в природе, тип химической связи и пространственное строение молекулы и атома углерода в трёх валентных состояниях, понятие гибридизации.

дипломная работа [21,6 K], добавлен 31.03.2009

Многообразие соединений углерода, их распространение в природе и применение. Аллотропные модификации. Физические свойства и строение атома свободного углерода. Химические свойства углерода. Карбонаты и гидрокарбонаты. Структура алмаза и графита.

реферат [209,8 K], добавлен 23.03.2009

Вращательные движения определяют важнейшие черты стационарных состояний электронных оболочек и ядер, aтомов и молекул. Гибридизация – смешение состояний с различными значениями момента импульса. Совместные измерения динамических переменных и коммутация.

реферат [78,8 K], добавлен 29.01.2009

Источник

3.2. Типы связей в молекулах органических веществ. Гибридизация атомных орбиталей углерода. Радикал. Функциональная группа.

Большинство органических соединений имеют молекулярное строение. Атомы в веществах с молекулярным типом строения всегда образуют только ковалентные связи друг с другом, что наблюдается и в случае органических соединений. Напомним, что ковалентным называется такой вид связи между атомами, который реализуется за счет того, что атомы обобществляют часть своих внешних электронов с целью приобретения электронной конфигурации благородного газа.

По количеству обобществлённых электронных пар ковалентные связи в органических веществах можно разделить на одинарные, двойные и тройные. Обозначаются данные типы связей в графической формуле соответственно одной, двумя или тремя чертами:

Кратность связи приводит к уменьшении ее длины, так одинарная С-С связь имеет длину 0,154 нм, двойная С=С связь – 0,134 нм, тройная С≡С связь – 0,120 нм.

Типы связей по способу перекрывания орбиталей

Как известно, орбитали могут иметь различную форму, так, например, s-орбитали имеют сферическую, а p-гантелеобразную форму. По этой причине связи также могут отличаться по способу перекрывания электронных орбиталей:

• ϭ-связи – образуются при перекрывании орбиталей таким образом, что область их перекрывания пересекается линией, соединяющей ядра. Примеры ϭ-связей:

• π-связи – образуются при перекрывании орбиталей, в двух областях – над и под линией соединяющей ядра атомов. Примеры π-связей:

Как узнать, когда в молекуле есть π- и ϭ-связи?

При ковалентном типе связи ϭ-связь между любыми двумя атомами есть всегда, а π-связь имеет только в случае кратных (двойных, тройных) связей. При этом:

Укажем данные типы связей в молекуле бутин-3-овой кислоты:

Гибридизация орбиталей атома углерода

Гибридизацией орбиталей называют процесс, при котором орбитали, изначально имеющие разные формы и энергии смешиваются, образуя взамен такое же количество гибридных орбиталей, равных по форме и энергии.

В случае атомов углерода в гибридизации всегда принимает участие s-орбиталь, а количество p-орбиталей, которые могут принимать участие в гибридизации варьируется от одной до трех p-орбиталей.

Как определить тип гибридизации атома углерода в органической молекуле?

Потренируемся определять тип гибридизации атомов углерода на примере следующей органической молекулы:

Радикал. Функциональная группа

Под термином радикал, чаще всего подразумевают углеводородный радикал, являющийся остатком молекулы какого-либо углеводорода без одного атома водорода.

Название углеводородного радикала формируется, исходя из названия соответствующего ему углеводорода заменой суффикса –ан на суффикс –ил.

Функциональная группа — структурный фрагмент органической молекулы (некоторая группа атомов), который отвечает за её конкретные химические свойства.

В зависимости того, какая из функциональных групп в молекуле вещества является старшей, соединение относят к тому или иному классу.

R – обозначение углеводородного заместителя (радикала).

Радикалы могут содержать кратные связи, которые тоже можно рассматривать как функциональные группы, поскольку кратные связи вносят вклад в химические свойства вещества.

Если в молекуле органического вещества содержится две или более функциональных группы, такие соединения называют полифункциональными.

Источник

Химическая гибридизация sp, sp2, sp3

В соответствии с ТРВ в метана атомных орбиталей формы С четырех связей сг четыре атома H. 2р орбитали, с формами ∞ (нижней) части C расположены перпендикулярно друг к другу, так что Н должны быть отделены друг от друга другой под углом 90 °.

Кроме того, 2с орбиталь (сферическая) связывается с С 1s орбиты Н под углом 135 ° по отношению к другим трем Н. Однако экспериментально установлено, что углы в CH₄ 109,5º и что, кроме того, длины связей C-H эквивалентны.

Чтобы объяснить это, необходимо рассмотреть комбинацию исходных атомных орбиталей для формирования четырех вырожденных гибридных орбиталей (равной энергии). Здесь идет химическая химия. На что похожи гибридные орбитали? Это зависит от атомных орбиталей, которые их генерируют. Они также показывают смесь электронных характеристик этих.

Гибридизация зр 3

На изображении выше вы можете увидеть, как sp орбитали 3 (зеленый) установить тетраэдрическую электронную среду вокруг атома (A, который является C для CH₄).

Почему 109,5º, а не другие углы, чтобы «нарисовать» другую геометрию? Причина в том, что этот угол сводит к минимуму электронные отталкивания четырех атомов, которые связаны с.

Таким образом, молекула СН₄ может быть представлен в виде тетраэдра (тетраэдрическая молекулярная геометрия).

Это имеет основополагающее значение для эскиза органических структур, где углерод с простыми связями представляет точки расхождения; то есть структура не остается в одной плоскости.

интерпретация

Какова простейшая интерпретация для этих гибридных орбиталей без учета математических аспектов (волновых функций)? Sp орбитали 3 подразумевают, что они были созданы четырьмя орбиталями: одна с и три р.

Поскольку комбинация этих атомных орбиталей должна быть идеальной, четыре sp-орбитали 3 в результате они идентичны и занимают разные ориентации в пространстве (например, на орбиталях р_х, р_и и р_Z).

Вышеуказанное применимо к остальным возможным гибридизациям: количество образовавшихся гибридных орбиталей такое же, как и у комбинированных атомных орбиталей. Например, sp-гибридные орбитали 3 d 2 они образованы из шести атомных орбиталей: одна s, три p и две d.

Отклонения углов ссылок

Согласно теории электрона пара отталкивания слоя Valencia (VSEPR), пара свободных электронов занимает больше объема, чем атом связанного. Это приводит ссылка отходит уменьшение напряжения электроники и отвлечение углов 109,5º:

Например, в молекуле воды атомы H связаны со sp-орбиталями 3 (зеленым цветом), а также пары электронов, которые не являются общими «:» занимают эти орбитали.

Отталкиванием этих пар электронов, как правило, представлены в виде «двух шаров с глазами», который, из-за их объема, репелленты двух звеньев сг O-H.

Таким образом, в воде углы звеньев действительно равны 105º вместо 109,5º, ожидаемых для тетраэдрической геометрии..

Какая геометрия у H тогда?₂O? Имеет угловую геометрию. Почему? Поскольку, хотя электронная геометрия является тетраэдрической, две пары неразделенных электронов отвлекают ее от угловой геометрии.

Гибридизация зр 2

Когда атом объединяет две p и одну s орбитали, он генерирует три sp гибридных орбитали 2 ; тем не менее, орбитальная p остается неизменной (потому что их три), которая представлена ​​оранжевой полосой на изображении выше.

Здесь три sp орбитали 2 они зеленого цвета, чтобы подчеркнуть их отличие от оранжевой полосы: «чистая» орбиталь.

Атом с sp-гибридизацией 2 может быть визуализирован как плоский тригональный пол (треугольник, нарисованный с помощью орбиталей sp 2 зеленого цвета), вершины которого разделены углами 120º и перпендикулярны полосе.

И какую роль играет чистая орбиталь? Это образует двойную связь (=). Sp орбитали 2 позволяют формировать три σ-связи, в то время как чистая p-орбитальная π-связь (двойная или тройная связь подразумевает одну или две π-связи).

Например, чтобы нарисовать карбонильную группу и структуру молекулы формальдегида (H₂С = о), происходит следующим образом:

Sp орбитали 2 оба из C и O образуют связь σ, а их чистые орбитали образуют связь π (оранжевый прямоугольник).

Гибридизация зр

Верхнее изображение показывает атом А с sp-гибридизацией. Здесь орбиталь s и орбиталь s объединяются, чтобы создать две вырожденные sp орбитали. Однако теперь две чистые p-орбитали остаются неизменными, что позволяет A образовывать две двойные связи или тройную связь (≡).

Гибридные орбитали разделены углом 180 °. По этой причине связанные атомы расположены в линейной молекулярной геометрии (B-A-B). Наконец, на изображении ниже вы можете увидеть структуру аниона цианида:

Источник

Урок 5. Гибридизация
атомных орбиталей углерода

Ковалентная химическая связь образуется при помощи общих связывающих электронных пар по типу:

Напомним, что в электронной формуле атома (например, для углерода ₆С – 1s 2 2s 2 2p 2 ) большие цифры перед буквами – 1, 2 – обозначают номер энергетического уровня. Буквы s и р указывают форму электронного облака (орбитали), а цифры справа над буквами говорят о числе электронов на данной орбитали. Все s-орбитали сферические:

На втором энергетическом уровне кроме 2s-орбитали имеются три 2р-орбитали. Эти 2р-орбитали имеют эллипсоидную форму, похожую на гантели, и ориентированы в пространстве под углом 90° друг к другу. 2р-Орбитали обозначают 2р_х, 2р_y и 2р_z в соответствии с осями, вдоль которых эти орбитали расположены.

Форма и ориентация
р-электронных орбиталей

Схема перекрывания электронных облаков
в молекуле этана

Ковалентная связь, образующаяся путем бокового перекрывания р-орбиталей соседних углеродных атомов, называется пи()-связью.

Образование
-связи

Из-за меньшего перекрывании орбиталей -связь менее прочная, чем -связь.
sр—Гибридизация – это смешивание (выравнивание по форме и энергии) одной s- и одной
р-орбиталей с образованием двух гибридных sр-орбиталей. sр-Орбитали расположены на одной линии (под углом 180°) и направлены в противоположные стороны от ядра атома углерода. Две
р-орбитали остаются негибридизованными. Они размещены взаимно перпендикулярно
направлениям -связей. На рисунке sр-орбитали показаны вдоль оси y, а негибридизованные две
р-орбитали– вдоль осей х и z.

Атомные орбитали (две sp и две р)
углерода в состоянии sp-гибридизации

Тройная углерод-углеродная связь СС состоит из -связи, возникающей при перекрывании
sp-гибридных орбиталей, и двух -связей.
Взаимосвязь таких параметров атома углерода, как число присоединенных групп, тип гибридизации и типы образуемых химических связей, показана в таблице 4.

Ковалентные связи углерода

Упражнения.

1. Какие электроны атомов (например, углерода или азота) называют неспаренными?

2. Что означает понятие «общие электронные пары» в соединениях с ковалентной связью (например, СН₄ или Н₂S)?

3. Какие электронные состояния атомов (например, С или N) называют основными, а какие возбужденными?

4. Что означают цифры и буквы в электронной формуле атома (например, С или N)?

5. Что такое атомная орбиталь? Сколько орбиталей на втором энергетическом уровне атома С и чем они различаются?

6. В чем отличие гибридных орбиталей от исходных орбиталей, из которых они образовались?

7. Какие типы гибридизации известны для атома углерода и в чем они заключаются?

8. Нарисуйте картинку пространственного расположения орбиталей для одного из электронных состояний атома углерода.

9. Какие химические связи называют и какие ? Укажите — и —связи в соединениях:

10. Для атомов углерода приведенных ниже соединений укажите: а) тип гибридизации; б) типы его химических связей; в) валентные углы.

Ответы на упражнения к теме 1

Урок 5

1. Электроны, которые находятся по одному на орбитали, называют неспаренными электронами. Например, в электронографической формуле возбужденного атома углерода – четыре неспаренных электрона, а у атома азота – три:

2. Два электрона, участвующие в образовании одной химической связи, называют общей электронной парой. Обычно до образования химической связи один из электронов этой пары принадлежал одному атому, а другой электрон – другому атому:

Тогда как в основном состоянии было только два валентных неспаренных электрона, то в возбужденном состоянии таких электронов становится четыре.

5. Атомная орбиталь – это функция, которая описывает плотность электронного облака в каждой точке пространства вокруг ядра данного атома. На втором энергетическом уровне атома углерода четыре орбитали – 2s, 2р_x, 2р_y, 2р_z. Эти орбитали различаются:
а) формой электронного облака (s – шар, р – гантель);
б) р-орбитали имеют разную ориентацию в пространстве – вдоль взаимно перпендикулярных осей x, y и z, их обозначают р_x, р_y, р_z.

9. -связь – ковалентная связь, образующаяся путем лобового перекрывания орбиталей по линии, соединяющей центры атомов.
-связь – ковалентная связь, образующаяся путем бокового перекрывания р-орбиталей по обе стороны от линии, соединяющей центры атомов.
-Связи показывают второй и третьей черточкой между соединенными атомами.

Источник

• ← Что такое sp3 гибридизация в химии
• Что такое sp3 гибридизация →

Число групп, связанных с углеродом	Тип гибридизации	Типы участвующих химических связей	Примеры формул соединений
4	sp 3	Четыре — связи