Apartenența substanțelor la grupa hidrocarburilor saturate este determinată de natura structurii lor. Luați în considerare structura celei mai simple hidrocarburi - metanul.

Metanul CH 4 este un gaz incolor și inodor, aproape de două ori mai ușor decât aerul. Se formează în natură ca urmare a descompunerii fără accesul aerului a resturilor de organisme vegetale și animale. Prin urmare, poate fi găsit, de exemplu, în rezervoare mlăștinoase, în minele de cărbune. Metanul se găsește în cantități semnificative în gazul natural, care este acum utilizat pe scară largă ca combustibil în viața de zi cu zi și în industrie.

În molecula de metan, legăturile chimice ale atomilor de hidrogen cu atomul de carbon sunt covalente. Dacă norii de electroni care se suprapun în perechi în timpul formării legăturilor sunt notați cu două puncte sau o linie de valență, structura metanului poate fi exprimată prin formulele:

Sau

Când în Chimie organica studiul structurii spațiale a moleculelor a început să se dezvolte, s-a constatat că molecula de metan are de fapt o formă tetraedrică, și nu una plată, așa cum o înfățișăm pe hârtie.

Să aflăm de ce molecula de metan este un tetraedru. Trebuie să plecăm, evident, de la structura atomului de carbon. Dar aici ne întâlnim cu o contradicție. Atomii de carbon au patru electroni de valență, doi dintre ei sunt electroni s perechi, nu pot forma legături chimice cu atomi de hidrogen. Legăturile chimice pot fi stabilite doar de doi electroni p nepereche. Dar atunci molecula de metan ar trebui să aibă formula nu CH 4, ci CH 2, ceea ce nu este adevărat. Această contradicție este eliminată prin următoarea interpretare a formării legăturilor chimice.

Când un atom de carbon interacționează cu atomii de hidrogen, electronii s ai stratului exterior din acesta sunt aburiți, unul dintre ei ocupă locul liber al celui de-al treilea electron p și formează un nor sub forma unui volum opt, perpendicular pe norii celorlalți doi electroni p . Atomul trece apoi, după cum se spune, într-o stare excitată. Acum toți cei patru electroni de valență au devenit nepereche, pot forma patru legături chimice. Dar apare o nouă contradicție. Trei electroni p trebuie să formeze trei legături chimice cu atomii de hidrogen în direcții reciproc perpendiculare, adică la un unghi de 90 °, iar al patrulea atom de hidrogen s-ar putea uni într-o direcție arbitrară, deoarece norul de electroni s are o formă sferică și aceste legături , Evident, ar diferi în proprietăți. Între timp, se știe că toate legături C-Hîn molecula de metan sunt aceleași și sunt situate la un unghi de 109 ° 28 ". Conceptul de hibridizare a norilor de electroni ajută la rezolvarea acestei contradicții.

În procesul de formare a legăturilor chimice, norii tuturor electronilor de valență ai atomului de carbon (un electroni s și trei p) se aliniază și devin la fel. În același timp, ele iau forma optilor de volum asimetric, alungite spre vârfurile tetraedrului (o distribuție asimetrică a densității electronilor înseamnă că probabilitatea de a găsi un electron pe o parte a nucleului este mai mare decât pe cealaltă).

Unghiul dintre axele norilor de electroni hibrizi se dovedește a fi egal cu 109°28", ceea ce le permite, la fel de încărcați, să se îndepărteze cât mai mult unul de celălalt. Fiind alungiți până la vârfurile tetraedrului, astfel de nori se poate suprapune semnificativ cu norii de electroni ai atomilor de hidrogen, ceea ce duce la o mai mare eliberare de energie și formarea de legături chimice puternice cu proprietăți identice (Fig. A).

DEFINIȚIE

Metan- cel mai simplu reprezentant al clasei de hidrocarburi saturate (structura moleculei este prezentată în Fig. 1). Este un gaz incolor, ușor, inflamabil, inodor și aproape insolubil în apă.

Punctul său de fierbere este de -161,5 o C, punctul de solidificare este de -182,5 o C. Un amestec de metan cu aer este extrem de exploziv (mai ales în raport de 1:10).

Orez. 1. Structura moleculei de metan.

Obține metan

Metanul este destul de comun în natură. Este componenta principală a gazelor naturale ale zăcămintelor de gaze (până la 97%), este conținută în cantități semnificative în gazul petrolier asociat (eliberat în timpul producției de petrol), precum și în gazul cuptorului de cocs. Este emis din fundul mlaștinilor, iazurilor și apelor stagnante, unde se formează în timpul descompunerii reziduurilor vegetale fără acces la aer, motiv pentru care metanul este numit și gaz de mlaștină. În cele din urmă, metanul se acumulează în mod constant în minele de cărbune, unde se numește cenzură.

Metodele sintetice de producere a metanului arată relația substanțelor anorganice cu cele organice. Este posibil să distingem metodele industriale (1, 2, 3) și de laborator (4, 5) de producție:

C + 2H2 → CH4 (kat = Ni, t0) (1);

CO + 3H2 → CH4 + H2O (kat = Ni, t = 200 - 300 o C) (2);

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H20 (kat, t0) (3);

Al4C3 + 12H20 → CH4 + 4Al(OH)3 (4);

CH3COONa + NaOH → CH4 + Na2CO3 (5).

Proprietățile chimice ale metanului

Metanul este un compus organic slab reactiv. Deci, în condiții normale, nu reacționează cu acizi concentrați, alcalii topiți și concentrați, Metale alcaline, halogeni (cu excepția fluorului), permanganat de potasiu și dicromat de potasiu în mediu acid.

Toate transformările chimice caracteristice metanului au loc prin scindarea legăturilor C-H:

• halogenare (SR)

CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl ( hν);

• nitrare (S R)

CH4 + HONO2 (diluat) → CH3-NO2 + H20 (t0);

• sulfoclorurare (S R)

CH 4 + SO 2 + Cl 2 → CH 3 -SO 2 Cl + HCl ( hν);

Există catalitice (sărurile de cupru și mangan sunt utilizate ca catalizatori) (1, 2, 3) și complete (combustie) (4) oxidarea metanului:

2CH4 + O2 → 2CH3OH (p, t0) (1);

CH4 + O2 → HC(O)H + H20 (NO, t0) (2);

2CH4 + 3O2 → 2HCOOH + 2H20 (kat = Pt, t0) (3);

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + Q (4).

Conversia metanului cu vapori de apă și dioxid de carbon poate fi, de asemenea, atribuită metodelor de oxidare a acestuia:

CH4 + H2O →CO + 3H2 (kat = Ni, t = 800 o C);

CH4 + CO2 → 2CO + 2H2.

Cracarea metanului este cea mai importantă metodă de prelucrare chimică a uleiului și a fracțiilor sale pentru a obține produse cu greutate moleculară mai mică - uleiuri lubrifiante, combustibili pentru motoare etc., precum și materii prime pentru industria chimică și petrochimică:

2CH4 → HC≡CH + 3H2 (t = 1500 o C).

Aplicarea metanului

Metanul este materia primă de bază a celor mai importante procese industriale chimice de producere a carbonului și hidrogenului, acetilenei, care conțin oxigen compusi organici- alcooli, aldehide, acizi.

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

EXEMPLUL 2

Sarcina	Calculați volumele de clor și metan, reduse la condiții normale, care vor fi necesare pentru a obține tetraclorură de carbon cu o masă de 38,5 g.
Soluţie	Să scriem ecuația pentru reacția de clorurare a metanului la tetraclorura de carbon (reacția are loc sub acțiunea radiației UV): CH 4 + 4Cl 2 \u003d CCl 4 + 4HCl. Calculați cantitatea de substanță tetraclorură de carbon ( Masă molară egal cu - 154 g / mol): n(CCl 4) \u003d m (CCl 4) / M (CCl 4); n (CCl 4) \u003d 38,5 / 154 \u003d 0,25 mol. Conform ecuației reacției n(CCl4) : n(CH4) = 1:1, adică. n (CCl 4) \u003d n (CH 4) \u003d 0,25 mol. Atunci volumul de metan va fi egal cu: V(CH4) = n(CH4) × Vm; V (CH 4) \u003d 0,25 × 22,4 \u003d 5,6 l. Conform ecuației reacției, găsim cantitatea de substanță clor. n(CC14): n(CI2) = 1:4, adică. n(Cl 2) \u003d 4 × n (CCl 4) \u003d 4 × 0,25 \u003d 1 mol. Atunci volumul de clor va fi egal cu: V (Cl 2) \u003d n (Cl 2) × V m; V (Cl 2) \u003d 1 × 22,4 \u003d 22,4 l.
Răspuns	Volumele de clor și metan sunt de 22,4, respectiv 5,6 litri.

modelul atomului de carbon

Electronii de valență ai unui atom de carbon sunt localizați într-un orbital 2s și doi orbitali 2p. Orbitalii 2p sunt situati la un unghi de 90° unul fata de celalalt, iar orbitalul 2s are simetrie sferica. Deci locația orbitali atomici carbonul în spațiu nu explică apariția unghiurilor de legătură de 109,5°, 120° și 180° în compușii organici.

Pentru a rezolva această contradicție, noțiunea hibridizarea orbitalilor atomici. Pentru a înțelege natura celor trei opțiuni pentru aranjarea legăturilor atomului de carbon, au fost necesare idei despre trei tipuri de hibridizare.

Apariția conceptului de hibridizare îi datorăm lui Linus Pauling, care a făcut mult pentru a dezvolta teoria legăturii chimice.

Conceptul de hibridizare explică modul în care un atom de carbon își schimbă orbitalii pentru a forma compuși. Mai jos vom lua în considerare acest proces de transformare orbitală pas cu pas. Totodată, trebuie avut în vedere că împărțirea procesului de hibridizare în etape sau etape nu este, de fapt, altceva decât un dispozitiv mental care permite o prezentare mai logică și mai accesibilă a conceptului. Cu toate acestea, concluziile despre orientarea spațială a legăturilor atomului de carbon, la care vom ajunge în cele din urmă, corespund pe deplin cu starea reală a lucrurilor.

Configurația electronică a atomului de carbon în starea fundamentală și excitată

Figura din stânga arată configurația electronică a unui atom de carbon. Ne interesează doar soarta electronilor de valență. Ca rezultat al primului pas, care se numește entuziasm sau promovare, unul dintre cei doi electroni 2s se deplasează către un orbital 2p liber. În a doua etapă, are loc procesul de hibridizare în sine, care poate fi imaginat oarecum convențional ca un amestec de un s- și trei p-orbitali și formarea a patru noi orbitali identici din aceștia, fiecare dintre care păstrează proprietățile s. -orbital cu un sfert şi proprietăţile orbitalilor p. Acești noi orbitali se numesc sp 3 - hibrid. Aici, suprascriptul 3 denotă nu numărul de electroni care ocupă orbitalii, ci numărul de orbitali p care au luat parte la hibridizare. Orbitalii hibrizi sunt direcționați către vârfurile tetraedrului, în centrul căruia se află un atom de carbon. Fiecare orbital hibrid sp 3 conține un electron. Acești electroni participă în a treia etapă la formarea legăturilor cu patru atomi de hidrogen, formând unghiuri de legătură de 109,5°.

sp3 - hibridizare. molecula de metan.

Formarea moleculelor plane cu unghiuri de legătură de 120° este prezentată în figura de mai jos. Aici, ca și în cazul hibridizării sp 3, primul pas este excitația. În a doua etapă, un orbital 2s și doi orbitali 2p participă la hibridizare, formând trei sp 2 -hibrid orbitali situati in acelasi plan la un unghi de 120° unul fata de celalalt.

Formarea a trei orbitali hibrizi sp2

Un p-rorbital rămâne nehibridizat și este situat perpendicular pe planul orbitalilor hibrizi sp 2. Apoi (al treilea pas) doi orbitali hibrizi sp 2 ai doi atomi de carbon combină electronii pentru a forma o legătură covalentă. O astfel de legătură, formată ca urmare a suprapunerii a doi orbitali atomici de-a lungul liniei care leagă nucleele unui atom, se numește σ-legatură.

Formarea legăturilor sigma și pi în molecula de etilenă

A patra etapă este formarea unei a doua legături între doi atomi de carbon. Legătura se formează ca urmare a suprapunerii marginilor orbitalilor 2p nehibridați care se confruntă unul cu celălalt și se numește legătura π. Noul orbital molecular este un set de două regiuni ocupate de electronii legăturii π - deasupra și sub legătura σ. Ambele legături (σ și π) alcătuiesc împreună legătură dublăîntre atomi de carbon. Și, în sfârșit, ultimul, al cincilea pas este formarea legăturilor între atomii de carbon și hidrogen folosind electronii celor patru orbitali hibrizi sp 2 rămași.

Legătură dublă în molecula de etilenă

Al treilea și ultimul tip de hibridizare este prezentat de exemplul celei mai simple molecule care conține o legătură triplă, molecula de acetilenă. Primul pas este excitarea atomului, la fel ca înainte. În a doua etapă, hibridizarea unui orbital 2s și a unuia 2p are loc cu formarea a doi sp-hibrid orbitali care sunt la un unghi de 180°. Și cei doi orbitali 2p necesari pentru formarea a două legături π rămân neschimbați.

Formarea a doi orbitali sp-hibrizi

Următorul pas este formarea unei legături σ între doi atomi de carbon hibridizați sp, apoi se formează două legături π. O legătură σ și două legături π între doi atomi de carbon formează împreună triplă legătură. În cele din urmă, se formează legături cu doi atomi de hidrogen. Molecula de acetilenă are o structură liniară, toți cei patru atomi se află pe aceeași linie dreaptă.

Am arătat cum cele trei tipuri principale de geometrie moleculară din chimia organică apar ca urmare a diferitelor transformări ale orbitalilor atomici ai carbonului.

Pot fi propuse două metode pentru determinarea tipului de hibridizare a diferiților atomi dintr-o moleculă.

Metoda 1. Cel mai general mod, potrivit pentru orice molecule. Pe baza dependenței unghiului de legătură de hibridizare:

a) unghiurile de legătură de 109,5°, 107° și 105° indică hibridizarea sp 3;

b) un unghi de valență de aproximativ 120 ° - sp 2 - hibridizare;

c) unghi de valenţă 180°-sp-hibridare.

Metoda 2. Potrivit pentru majoritatea moleculelor organice. Deoarece tipul de legătură (singură, dublă, triplă) este asociat cu geometria, este posibil să se determine tipul de hibridizare a acesteia după natura legăturilor unui atom dat:

a) toate legăturile sunt simple - sp 3 -hibridare;

b) o legătură dublă - sp 2 -hibridare;

c) o legătură triplă - hibridizare sp.

Hibridizarea este o operație mentală de transformare a orbitalilor atomici obișnuiți (cele mai favorabile din punct de vedere energetic) în noi orbitali, a căror geometrie corespunde geometriei determinate experimental a moleculelor.

Metoda legăturilor de valență (perechi de electroni localizați) presupune că fiecare pereche de atomi dintr-o moleculă este ținută împreună de una sau mai multe perechi de electroni partajați. De aceea legătură chimică pare a fi cu doi electroni și cu două centre, adică situat între doi atomi. ÎN formule structurale conexiunile sunt indicate printr-o liniuță:

H-CI, H-H, H-O-H

Luați în considerare în lumină Metoda soarelui, caracteristici ale comunicării precum saturația, directivitate și polarizabilitatea.

Valenţă atom - este determinat de numărul de electroni nepereche (de valență) care pot lua parte la formarea unei legături chimice. Valenta este exprimata in numere intregi mici si este egala cu numarul de legaturi covalente. Valența elementelor, care se manifestă în compuși covalenti, este adesea numită covalență. Unii atomi au o valență variabilă, de exemplu, carbonul în starea fundamentală are 2 electroni nepereche și va fi doi valenți. Când un atom este excitat, este posibil să scoți cu abur ceilalți doi electroni perechi și apoi atomul de carbon va deveni patru valenți:

Excitarea unui atom la o nouă stare de valență necesită cheltuirea energiei, care este compensată de energia eliberată în timpul formării legăturilor.

Orientarea legăturii covalente

Suprapunerea reciprocă a norilor poate apărea în moduri diferite, datorită lor diverse forme. Distinge σ-, π- și δ-conexiuni.

Sigma - conexiuni se formează atunci când norii se suprapun de-a lungul unei linii care trece prin nucleele atomilor. Legăturile Pi apar atunci când norii se suprapun pe ambele părți ale liniei care leagă nucleele atomilor. Delta - comunicațiile se realizează cu suprapunerea tuturor celor patru lame d - norii de electroni situate în plane paralele.

σ– legătura poate apărea atunci când există o suprapunere de-a lungul liniei care leagă nucleele atomilor din următorii orbitali: s— s -, s— R-, R– R-, d— d-orbitali, și d— s-, d— R- orbitali. σ– legătura are proprietățile unei legături localizate în două centre, ceea ce este.

legătura π poate fi format prin suprapunerea pe ambele părți ale liniei care leagă nucleele atomilor următorilor orbitali: R—R-, R—d-, d—d-, f—p-, f—d- Și f—f- orbitali.

Asa de, s- elementele sunt capabile doar de formare σ– legături, R- elemente - legături σ– și π–, d- elemente - legături σ–, π– și δ, dar f- elemente - legături σ– , π– , δ. Odată cu formarea în comun a legăturilor π și σ, se obține o legătură dublă. Dacă două apar în același timp legătura π și σ, se formează o legătură triplă. Numărul de legături formate între atomi se numește multiplicitatea legăturilor.

La stabilirea unei conexiuni cu s— orbitalii, datorita formei lor sferice, nu exista directie preferentiala in spatiu, pentru formarea cat mai benefica a legaturilor covalente. În cazul R- orbitali, densitatea electronilor este distribuita neuniform, deci exista o anumita directie in care este cel mai probabil formarea unei legaturi covalente.

Hibridarea orbitalilor atomici

Luați în considerare un exemplu. Imaginează-ți că patru atomi de hidrogen sunt combinați cu un atom de carbon și se formează o moleculă de metan CH4.

Imaginea arată ce se întâmplă, dar nu explică cum se comportă s— Și R- orbitali, in formarea unor astfel de compusi. Cu toate că R- orbitalul are două părți răsucite una față de cealaltă, dar poate forma o singură legătură. Ca rezultat, se poate presupune că în molecula de metan un atom de hidrogen este atașat la 2 s— orbitali de carbon, restul - până la 2 R- orbitali. Apoi, fiecare atom de hidrogen va fi în raport cu celălalt la un unghi de 90 °, dar nu este așa. Electronii se resping reciproc și diverg pe o distanță mai mare. Ce se întâmplă de fapt?

Ca rezultat, toți orbitalii se combină, rearanjează și formează 4 echivalent hibrid orbitali care sunt îndreptați către vârfurile tetraedrului. Fiecare dintre orbitalii hibrizi conține o anumită contribuție 2 s— orbitali și unele contribuții 2 R- orbitali. Deoarece 4 orbitali hibrizi sunt formați de unul 2 s— si trei 2 R- orbitali, atunci aceasta metoda de hibridizare se numeste sp 3 -hibridizare.

hibridizarea sp 3 a orbitalilor într-o moleculă de metan

După cum se poate observa din figură, configurația orbitalilor hibrizi permite patru atomi de hidrogen să formeze legături covalente cu un atom de carbon, în timp ce orbitalii vor fi localizați unul față de celălalt la un unghi de 109,5 °.

Același tip de hibridizare este prezent în molecule precum NH 3 , H 2 O. Pe una dintre sp 3 - hibrid orbitalii, în molecula de NH 3, există o pereche de electroni singuratică, iar ceilalți trei orbitali sunt utilizați pentru a se conecta cu atomii de hidrogen. În molecula de H 2 O, doi orbitali hibrizi ai atomului de oxigen sunt ocupați de perechi de electroni neîmpărțiți, în timp ce ceilalți doi sunt utilizați pentru legarea cu atomii de hidrogen.

Numărul de orbitali hibrizi este determinat de numărul de legături simple, precum și de numărul de perechi de electroni neîmpărțiți din moleculă. Acești electroni sunt în orbitali hibrizi. Când orbitalii nehibrizi ai doi atomi se suprapun, se formează o legătură multiplă. De exemplu, într-o moleculă de etilenă, legătura se realizează după cum urmează:

sp 2 -hibridarea atomilor de etilenă

Aranjamentul plan a trei legături în jurul fiecărui atom de carbon sugerează că în acest caz sp 2 -hibridarea ( orbitalii hibrizi sunt formați de unul 2 s— si doi 2 R- orbitali ). În același timp, unul 2 R- orbitalul rămâne nefolosit (nehibrid). Orbitalii vor fi localizați unul față de celălalt la un unghi de 120 °.

În același mod, în molecula de acetilenă se formează o legătură triplă. În acest caz, se întâmplă sp-hibridizare atomi, adică orbitalii hibrizi sunt formați de unul 2 s— si unul 2 R- orbitali și doi 2 R Orbitalii sunt nehibrizi. Orbitalii sunt localizați unul față de celălalt la un unghi de 180 °

Următoarele sunt exemple de aranjare geometrică a orbitalilor hibrizi.

Set de orbitali atomici	Set de orbitali hibrizi	Dispunerea geometrică a orbitalilor hibrizi	Exemple
s,p	sp	Linear (unghi 180°)	Be (CH3)2, HgCl2MgBr2, CaH2, BaF2, C2H2
s,p,p	sp 2	Trigonal plan (unghi 120°)	BF3, GaCl3, InBr3, TeI3, C2H4
s,p,p,p	sp 3	Tetraedric (unghi 109,5°)	CH4, AsCI4-, TiCI4, SiCI4, GeF4
s,p,p,d	sp2d	Pătrat plat (unghi de 90°)	Ni(CO)4, 2 -
s,p,p,p,d	sp 3 d	Trigonal bipiramidal (unghiuri 120° și 90°)	PF5, PCl5, AsF5
s,p,p,p,d,d	sp 3 d 2	Octaedral (unghi de 90°)	SF6, Fe(CN)63-, CoF63-

Categorii,

I. Introducere. Caracteristicile stereochimice ale atomului de carbon.

Stereochimia este o parte a chimiei dedicată studiului structurii spațiale a moleculelor și influenței acestei structuri asupra proprietăților fizice și chimice ale unei substanțe, asupra direcției și vitezei reacțiilor acestora. Obiectele de studiu în stereochimie sunt în principal substanțe organice. Structura spațială a compușilor organici este asociată în primul rând cu caracteristicile stereochimice ale atomului de carbon. Aceste caracteristici depind, la rândul lor, de starea de valență (tipul de hibridizare).

Capabil de sp3- hibridizare, atomul de carbon este legat de patru substituenți. Dacă ne imaginăm un atom de carbon situat în centrul unui tetraedru, atunci substituenții vor fi localizați la colțurile tetraedrului. Un exemplu este molecula de metan, a cărei geometrie este dată mai jos:

Dacă toți cei patru substituenți sunt aceiași (СH 4 , CCl 4), molecula este un tetraedru regulat cu unghiuri de valență 109 sau 28". legături - tetraedrul devine neregulat.

Capabil de sp2- hibridizare, atomul de carbon este legat de trei substituenți, toți cei patru atomi aflați în același plan; unghiurile de legătură sunt de 120 o. Între doi atomi de carbon adiacenți care se află în stare sp2- hibridizarea, se stabilește, după cum știți, nu numai cea obișnuită sigma -conexiune (când densitatea maximă de electroni este situată exact pe o linie imaginară care leagă nucleele atomilor care interacționează), dar și o a doua legătură de tip special. Acest așa-zis pi -conexiune formate prin suprapunere nehibridate R- orbitali.

Cea mai mare suprapunere poate fi obținută cu o aranjare paralelă a orbitalilor p: această poziție este mai favorabilă din punct de vedere energetic, încălcarea ei necesită cheltuirea de energie pentru a rupe legătura pi. Prin urmare, nu există rotație liberă în jurul legăturii duble carbon-carbon (o consecință importantă a lipsei de rotație liberă în jurul legăturii duble este prezența izomerilor geometrici; vezi secțiunea II.2).

Pentru o legătură pi pe o linie care conectează nucleele atomilor care interacționează, densitatea electronilor este zero; este maximă „deasupra” şi „sub” planul în care se află legătura dintre ele. Din acest motiv, energia legăturii pi este mai mică decât cea a legăturii sigma și în majoritatea reacții organice pentru compușii care conțin atât legături pi cât și sigma, legăturile pi mai slabe se sparg mai întâi.