§ 4. Валентные состояния атома углерода

Вы уже знаете, что электронные орбитали характеризуются разными значениями энергии, различной геометрической формой и направленностью в пространстве. Так, 1s-орбиталь обладает более низкой энергией. Затем следует 2s-орбиталь, обладающая более высокой энергией. Обе эти орбитали имеют форму сферы. Естественно, 2s-орбиталь больше 1s-орбитали: большая энергия является следствием большего среднего расстояния между электронами и ядром. Три 2р-орбитали гантелеобразной формы с равной энергией направлены вдоль осей прямоугольной системы координат. Следовательно, ось каждой 2р-орбитали перпендикулярна осям двух других 2р-орбиталей.

Атомы углерода, входящие в состав органических соединений, могут находиться в трёх валентных состояниях.

Первое валентное состояние атома углерода рассмотрим на примере молекулы метана СН₄.

При образовании молекулы метана СН₄ атом углерода из основного состояния переходит в возбуждённое, в котором имеет четыре неспаренных электрона: один s- и три р-электрона. Эти электроны участвуют в образовании четырёх s-связей с четырьмя атомами водорода. При этом следует ожидать, что три связи С—Н, образованные за счёт спаривания трёх р-электронов атомов углерода с тремя s-электронами трёх атомов водорода (s—р), должны бы отличаться от четвёртой (s—s) связи прочностью, длиной, направлением. Расчёт электронной плотности в молекуле метана показывает, что все связи в его молекуле равноценны и направлены к вершинам тетраэдра. Это объясняется тем, что при образовании молекулы метана ковалентные связи возникают за счёт взаимодействия не «чистых», а так называемых гибридных, т. е. усреднённых по форме и размерам (а следовательно, и по энергии), орбиталей.

Число гибридных орбиталей равно числу исходных орбиталей. По сравнению с ними гибридные орбитали более вытянуты в пространстве, что обеспечивает их более полное перекрывание с орбиталями соседних атомов.

В молекуле метана и в других алканах, а также во всех органических молекулах по месту одинарной связи атомы углерода будут находиться в состоянии sр³-гибридизации, т. е. у атомов углерода гибридизации подверглись орбитали одного s- и трёх р-электронов и образовались четыре одинаковые гибридные орбитали.

В результате перекрывания четырёх гибридных sр³-орбиталей атома углерода и s-орбиталей четырёх атомов водорода образуется тетраэдрическая молекула метана с четырьмя одинаковыми а-связями, расположенными под углом 109°28' (рис. 4). Если в молекуле метана заменить один атом водорода на группу СН₃, то получится молекула этана СН₃—СН₃.

Атом углерода, при котором находятся три атома водорода и один атом углерода, называют первичным.

В молекуле этана существует одинарная (её иногда называют ординарной, обычной) неполярная углеродуглеродная связь, длина которой равна 0,154 нм.

Продолжение >>>