Будова атома вуглецю

В даний час органічну хімію розглядають як хімію з'єднань вуглецю, але, віддаючи данину поваги історії, як і раніше продовжують називати її органічною хімією. Тому так важливо більш детально розглянути будову атома цього елемента, характер і просторове напрямок утворюваних нею хімічних зв'язків.

Атом вуглецю складається з ядра, що має позитивний заряд +6 (так як містить шість протонів), і електронної оболонки, на якій знаходяться шість електронів, розташованих на двох енергетичних рівнях (шарах):

Реальне будова атома вуглецю набагато складніше, ніж представлено на наведеній схемі.

Справа в тому, що «живе» в просторі навколо ядра електрон має одночасно властивостями і частки (має масу 1/1840 від маси протона або нейтрона), і хвилі (здатний до огибания перешкод - дифракції, характеризується певною амплітудою, довжиною хвилі, частотою коливань і т.д.). Не можна точно визначити положення електрона в просторі навколо ядра. Тому говорять про більшу або меншу ймовірність перебування електрона в даній області простору. Якби ми могли сфотографувати атом і на знімку положення електрона відбивалося б у вигляді точки, то при накладенні величезного числа таких знімків ми отримали б картину електронної хмари. Чим більше щільність цієї хмари, тим з більшою ймовірністю електрон знаходиться в цій області. Простір навколо ядра, в якому укладено 90% електронного хмари, називається орбиталью. Це означає, що 90% часу електрон знаходиться в цьому обмеженому просторі. Надалі ми будемо розуміти терміни «орбиталь» і «хмара» як рівноцінні.

Атом вуглецю має два види орбіталей: я-орбіталі сферичної форми і р-орбіталі в формі гантелі або об'ємної вісімки (рис. 2).

Ці орбіталі відрізняються один від одного не тільки формою, а й віддаленістю від ядра атома. Чим більше віддалена від ядра орбиталь, тим більшу енергію має електрон на цій орбіталі. Енергія електрона - найважливіша характеристика його стану. Причому, і це дуже важливо, енергія електрона в атомі може приймати тільки певні значення, а сам електрон може займати орбиталь на певній відстані від ядра. Ці орбіталі відрізняються запасом (рівнем) енергії.

Щоб розрізняти енергетичні рівні, їх нумерують в порядку віддалення від ядра. Найближчий до ядра - перший (1), потім другий (2) і т. Д.

В атомі вуглецю перший рівень складає одна я-орбі-таль, на якій знаходяться два електрони. Другий енергетичний рівень атома вуглецю також містить s-орбіталь, але більшого розміру, так як запас енергії електронів на ній вище, ніж у електронів першого рівня, а також три р-орбіталі. Це гантелеобразная орбіталі одного розміру, які взаємно перпендикулярні, подібно осях координат х, у і 2 (див. Рис. 2). Кожну орбиталь можуть займати два електрона, але з протилежними значеннями спінів.

Спін (від англ. To spin - обертатися) - це власний магнітний момент електрона (при введенні поняття «спін» в 1925 р припускали, що магнітні властивості електрона як зарядженої частинки викликані його обертанням навколо власної осі). Спін електрона з'являється лише при взаємодії його з іншими електронами і з зовнішнім магнітним полем. Спін може мати тільки два значення - позитивне і негативне.

Щоб уявити розташування електронів в атомі, треба пам'ятати, що кожен електрон займає енергетично найбільш вигідне становище, при якому запас його енергії буде найменшим. Він завжди прагне зайняти найбільш близьке до ядра положення і потрапити на орбиталь більш простої форми (наприклад, спочатку на s-, а вже потім на р-орбіталь). А якщо в межах одного рівня є кілька однакових орбі-талей, електрони розміщуються спочатку кожен на окремій орбіталі з однаковими спинами, а вже потім попарно, але з протилежними спинами. Відповідно електронна формула атома вуглецю матиме вигляд 1s 2 2s 2 2p 2.

Дуже часто будова електронних оболонок атомів відображають за допомогою електронно-графічних формул. У них кожна орбіталь позначається однією клітиною; кожен електрон - стрілкою; напрямок стрілки відповідає напрямку спина.

Зобразимо електронно-графічні формули атомів вуглецю і водню.

Валентність хімічного елемента найчастіше визначається числом неспарених електронів. Атом вуглецю, як видно з електронно-графічної формули, має два неспарених електрона, тому з їх участю можуть утворитися дві електронні пари, які здійснюють дві ковалентні зв'язку. Однак в органічних сполуках вуглець не дво-, а завжди чотиривалентний. Це можна пояснити тим, що в збудженому (отримав додаткову енергію) атомі відбувається розпарювання 2 «-електронів і перехід одного з них на 2р-орбіталь:

Такий атом має чотири неспарених електрона і може приймати участь в створенні чотирьох ковалентних зв'язків.

Для утворення ковалентного зв'язку необхідно, щоб ор-біталь одного атома перекривалася з орбиталью іншого. При цьому чим більше перекривання, тим міцніше зв'язок.

У молекулі водню Н2 освіту ковалентного зв'язку відбувається за рахунок перекривання s-орбіталей (рис. 3).

Відстань між ядрами атомів водню, або довжина зв'язку, становить 7,4 * 10 -2 нм, а її міцність - 435 кДж / моль.

Для порівняння: в молекулі фтору F2 ковалентний зв'язок утворюється за рахунок перекривання двох р-орбіталей.

Довжина зв'язку фтор-фтор дорівнює 14,2 • 10 -2 нм, а міцність (енергія) зв'язку - 154 кДж / моль.

Хімічні зв'язки, що утворюються в результаті перекривання електронних орбіталей вздовж лінії зв'язку, називаються а-зв'язками (сигма-зв'язками).

Лінія зв'язку - пряма, що з'єднує ядра атомів. Для по-орбіталей можливий лише єдиний спосіб перекривання - з утворенням а-зв'язків.

р-Орбіталі можуть перекриватися з утворенням а-зв'язків, а також можуть перекриватися в двох областях, утворюючи ковалентний зв'язок іншого виду - за рахунок «бічного» перекривання:

Хімічні зв'язки, що утворюються в результаті «бічного» перекривання електронних орбіталей поза лінією зв'язку, т. Е. В двох областях, називаються п-зв'язками (пі-зв'язками).

Розглянутий вид зв'язку характерний для молекул етилену С2Н4, ацетилену С2Н2. Але про це більш детально ви дізнаєтеся з наступного параграфа.

1. Запишіть електронну формулу атома вуглецю. Поясніть сенс кожного символу в ній.

Які електронні формули атомів бору, берилію і літію?

Складіть електронно-графічні формули, відповідні атомам цих елементів.

2. Запишіть електронні формули:

а) атома натрію і катіона Nа +;

б) атома магнію і катіона Мg 2+;

в) атома фтору і аніона F -;

г) атома кисню і аніону О 2;

д) атома водню і іонів Н + і Н -.

Складіть електронно-графічні формули розподілу електронів по орбіталях в цих частках.

3. атому якого хімічного елемента відповідає електронна формула 1s 2 2s 2 2р 6?

Які катіони і аніони мають таку ж електронну формулу? Складіть електронно-графічну формулу атома і цих іонів.

4. Порівняйте довжини зв'язків в молекулах водню і фтору. Чим викликано їх відмінність?

5. Молекули азоту та фтору двоатомний. Порівняйте числа і характер хімічних зв'язків між атомами в них.

Якщо у вас є виправлення або пропозиції до даного уроку, напишіть нам.

Якщо ви хочете побачити інші коригування та побажання до уроків, дивіться тут - Освітній форум.