ГИБРИДИЗАЦИЯ - это явление взаимодействия между собой молекулярных орбиталей, близких по энергии и имеющих общие элементы симметрии, с образованием гибридных орбиталей с более низкой энергией.
Чем полнее в пространстве перекрываются друг с другом электронные облака, участвующие в химической связи, тем меньшим запасом энергии обладают электроны, находящиеся в области перекрывания и осуществляющие связь, и тем прочнее химическая связь между этими атомами
Иногда связь между атомами прочнее, чем этого можно было ожидать на основании расчета. Предполагается, что атомная орбиталь принимает форму, позволяющую ей более полно перекрываться с орбиталью соседнего атома. Изменить свою форму атомная орбиталь может, лишь комбинируясь с другими атомными орбиталями иной симметрии этого же атома. В результате комбинации различных орбиталей (s, p, d) возникают новые атомные орбитали промежуточной формы, которые называются гибридными .
Перестройка различных атомных орбиталей в новые орбитали, усредненные по форме называется гибридизацией .
Число гибридных орбиталей равно числу исходных. Так, при комбинации s- и р-орбиталей (sp-гибридизация) возникают две гибридные орбитали, которые ориентируются под углом 180° друг к другу, рис.3, табл. 5 и 6.
(s+p)-орбитали Две sp- орбитали Две sp-гибридные
орбитали
Рисунок 3 – sp – Гибридизация валентных орбиталей
Таблица 6 – Образование гибридных орбиталей
Таблица 7 – Образование некоторых молекул V и VI периодов
Химическая связь, образуемая электронами гибридных орбиталей, прочнее связи с участием электронов негибридных орбиталей, так как при гибридизации перекрывание происходит в большей степени. Гибридные орбитали образуют только s-связи .
Подвергаться гибридизации могут орбитали, которые имеют близкие энергии. У атомов с малым значением заряд ядра для гибридизации пригодны только s– и р –орбитали. Это наиболее характерно для элементов второго периода II – VI групп, табл. 6 и 7.
В группах сверху вниз с увеличением радиуса атома способность образовывать ковалентные связи ослабевавает, усиливается различие в энергиях s - и р-электронов, уменьшается возможность их гибридизации.
Электронные орбитали, участвующие в образовании связей, и их пространственная ориентация определяют геометрическую форму молекул.
Линейная форма молекул . Соединения, имеющие линейную форму молекул, образуются при перекрывании:
1. Двух s– орбиталей (s – s связь): Н 2 , Na 2 , K 2 и др.
2. s - и р–орбиталей (s – р связь): НС1, НВr и др.
3. Двух р– орбиталей (р – р связь): F 2 , C1 2 , Вr 2 и т.д.
s–s s–p р–р
Рисунок 4 – Линейные молекулы
Линейную форму молекул образуют также атомы некоторых элементов II группы с атомами водорода или галогенов (ВеН 2 , ВеГ 2 , ZnГ 2). Рассмотрим образование молекул ВеС1 2 . Атом бериллия в возбужденном состоянии имеет два неспаренных электрона (2s l и 2р 1), следовательно, происходит sp–гибридизация, при которой образуются две sp-гибридные орбитали, расположенные относительно друг друга под углом 180° (см гибридизацию орбиталей). При взаимодействии бериллия с галогенами происходит перекрывая двух sp–гибридных орбиталей атома бериллия с р–орбиталями двух атомов хлора, в результате образуется молекула линейной формы, рис. 5.
Рисунок 5 – Линейная молекула BeCl 2
Треугольная форма молекул имеет место при образовании галогенидов бора, алюминия. Возбужденный атом бота имеет три неспаренных электрона (2s 1 и 2р 2), При образовании химических связей происходит sp 2 -гибридизация и образуются три sp 2 - гибиридные орбитали, которые лежат в одной плоскости и ориентированы друг к другу под углом 120°, рис. 6.
(s+p+p)- три sp 2 - гибридные
орбитали орбитали
Рисунок 6 – sp 2 –Гибридизация валентных орбиталей (а) и
треугольная молекула ВСl 3 (б)
При взаимодействии бора с хлором происходит перекрывание трех sр 2 -гибридных орбиталей атома бора с р-орбиталями трех атомов хлора, в результате образуется молекула, имеющая форму плоского треугольника. Валентный угол в молекуле ВСl 3 равен 120°.
Тетраэдрическая форма молекулы характерна для соединений элементов IV группы главной подгруппы с галогенами, водородом. Так, атом углерода в возбужденном состоянии имеет четыре неспаренных электрона (2s 1 и 2р 3) следовательно, происходит sp-гибридизация, при которой образуются четыре гибридные орбитали, расположенные друг к другу под углом 109,28°, рис. 7.
(s+p+p+p)- четыре sp 3 -гибридные
орбитали орбитали
Рисунок 7 – sp 3 –Гибридизация валентных орбиталей (а) и
тетраэдрическая молекула СН 4 (б)
При перекрывании четырех sp 3 -гибридных орбиталей атома углерода и s-орбиталей четырех атомов водорода образуется молекула метана, которая имеет форму тетраэдра. Валентный угол равен 109,28°.
Рассмотренные геометрические формы молекул (линейные, треугольные, тетраэдрические) являются идеальными (правило Гиллеспи).
В отличие от выше рассмотренных соединений молекулы элементов V и VI групп главных подгрупп имеют валентные неподеленные пары электронов, поэтому углы между связями оказываются меньшими по сравнению с идеальным молекулами.
Пирамидальная форма молекул имеет место при образовании водородных соединений элементов V групп главной подгруппы. При образовании химической связи, например, у атома азота также как и у атома углерода происходит sp 3 -гибридизация и образуется четыре sp 3 -гибридные орбитали, которые ориентированы под углом 109,28 о друг к другу. Но в отличие от атома углерода у атома азота в гибридизации принимают участие не только одноэлектронные орбитали (2р 3), но и двухэлектронная (2s 2). Поэтому из четырех sp 3 -гибридных орбиталей на трех находятся по одному электрону (одноэлектронная орбиталь), эти орбитали образуют связи с тремя атомами водорода. Четвертая орбиталь с неподелениой парой электронов не принимает участия в образовании связи. Молекула NH 3 имеет форму пирамиды, рис. 8.
Рисунок 8 – Пирамидальная молекула аммиака
В вершине пирамиды находится атом азота, а в углах (треугольника) основания – атомы водорода. Валентный угол равен 107,3°. Отклонение значения угла от тетраэдрического (109,28°) обусловлено отталкиванием между неподеленной парой электронов на четвертой sp 3 -гибридной орбитали и связывающими парами на трех остальных орбиталях, т.е. sp 3 -гибридная орбиталь с неподеленной парой электронов отталкивает в направлении от себя три остальные орбитали связи N–H, уменьшая угол до 107,3°.
В соответствии с правилом Гиллеспи: если центральный атом относится к элементам третьего или последующих периодов, а концевые атомы принадлежат менее электроотрицательным элементам, чем галогены, то образование связей осуществляется через чистые р - орбитали и валентные углы становятся » 90°, следовательно, у аналогов азота (Р, As, Sb) гибридизация орбиталей в молекулах водородных соединений не наблюдается. Например, в образовании молекулы фосфина (РН 3) участвуют три неспаренных р-электрона (3s 2 и 3р 3), электронные орбитали которых расположены в трех взаимно перпендикулярных направлениях, и s-электроны трех атомов водорода. Связи располагаются вдоль трех осей р-орбиталей. Образовавшиеся молекулы имеют, как и молекулы NН 3 , пирамидальную форму, но в отличие от молекулы NН 3 , в молекуле РН 3 валентный угол равен 93,3°, а в соединениях AsH 3 и SbH 3 – соответственно 91,8 и 91,3°, рис. 9 и табл. 4.
Рисунок 9 – Молекула РН 3
Неподеленная пара электронов будет занимать несвязывающую s- орбиталь.
Угловую форму молекул образуют водородные соединения элементов VI группы главной подгруппы. Рассмотренные особенности образования связей в соединениях элементов V группы характерны и для водородных соединений элементов VI группы. Так, в молекуле воды атом кислорода, так же как и атом азота, находится в состоянии sp 3 -гибридизаци. Из четырех sp 3 -гибридных орбитам на двух находится по одному электрону, эти орбитали образуют связи с двумя атомами водорода.
Две другие из четырех sp 3 -гибридных орбиталей содержат по неподеленной паре электронов и не принимав участия в образовании связи.
Молекула Н 2 О имеет угловую форму, валентный угол равен 104,5°. Отклонение значения угла от тетраэдрического в еще большей степени обусловлено отталкиванием от двух неподеленных пар электронов, рис. 10.
Рисунок 10 – Угловая молекула воды
Угловую форму молекул имеют H 2 S, H 2 Se, H 2 Te, только у аналогов кислорода образование связей в соединенн Н 2 Э осуществляется через чистые р-орбитали (правило Гиллеспи), поэтому валентные углы составляют »90°. Так, в молекулах H 2 S, H 2 Se, H 2 Te они соответственно равны 92; 91; 89,5°.
Таблица 8 – Молекулы водородных соединений элементов 2-го периода
Инструкция
Рассмотрите молекулу простейшего предельного углеводорода метана. Его выглядит следующим образом: CH4. Пространственная модель молекулы представляет собою тетраэдр. Атом углерода образует с четырьмя атомами водорода совершенно одинаковые по длине и энергии связи. В них, согласно вышеприведенному примеру, участвуют 3 – Р электрона и 1 S – электрон, орбиталь которого стала в точности соответствовать орбиталям трех других электронов в результате произошедшей . Такой тип гибридизации называется sp^3 гибридизацией. Она присуща всем предельным .
А вот простейший представитель непредельных – этилен. Его формула выглядит следующим образом: С2Н4. Какой тип гибридизации присущ углероду в молекуле этого вещества? В результате ее образуются три орбитали в виде несимметричных «восьмерок», лежащих в одной плоскости под углом 120^0 друг к другу. Их образовали 1 – S и 2 – Р электрона. Последний 3-й Р – электрон не видоизменил свою орбиталь, то есть она осталась в виде правильной «восьмерки». Такой тип гибридизации называют sp^2 гибридизацией.
Как же образуются связи в молекуле ? Две гибридизованные орбитали каждого атома вступили во с двумя атомами водорода. Третья гибридизованная орбиталь образовала связь с такой же орбиталью другого . А оставшиеся Р – орбитали? Они «притянулись» друг к другу по обе стороны от плоскости молекулы. Между атомами углерода образовалась связь. Именно атомам с «двойной» связью присуща sp^2 .
А что происходит в молекуле ацетилена или ? Его формула выглядит следующим образом: С2Н2. В каждом атоме углерода гибридизации подвергаются только два электрона: 1 --S и 1 – Р. Остальные два сохранили орбитали в виде «правильных восьмерок», перекрывающихся» в плоскости молекулы и по обе стороны от нее. Вот поэтому такой тип гибридизации носит название sp – гибридизации. Она присуща атомам с тройной связью.
Все слова , существующие в том или ином языке, можно разделить на несколько групп. Это важно при определении как значения, так и грамматических функций слова . Отнеся его к определенному типу , вы можете видоизменять его в соответствии с правилами, даже если оно вам раньше не встречалось. Типами элементов слова рного состава языка занимается лексикология.
Вам понадобится
- - текст;
- - словарь.
Инструкция
Выберите слово, тип которого вы хотите определить. Принадлежность его к той или иной части речи пока не играет роли, как и форма, и функция его в предложении. Это может быть абсолютно любое слово. Если оно не указано в задании, выпишите первое попавшееся. Определите, называет ли оно предмет, качество, действие или нет. По этому параметру все слова делятся на знаменательные, местоименные, числительные, служебные и междометные. К первому типу относятся существительные, прилагательные, глаголы и . Именно они обозначают названия предметов, качеств и действий. Второй тип слов, у которых есть функция называния - местоименный. Способность называть отсутствует у , междометного и служебного типов. Это сравнительно небольшие группы слов, но они есть в каждом .
Определите, способно ли заданное слово выражать понятие. Эта функция есть у слова рных единиц знаменательного типа, ведь именно они и формируют понятийный ряд любого языка. Однако любое число тоже относится к разряду понятий, а соответственно, тоже несет в себе эту функцию. Есть она и у служебных слов, а вот у местоимений и междометий - отсутствует.
Рассмотрите, как будет слово, если оно окажется в предложении. Может ли оно являться ? Им может быть любое слово знаменательного типа. Но эта возможность есть и у , а также у числительного. А вот служебные слова играют вспомогательную роль, ни подлежащим, ни , ни второстепенными членами предложения они быть не могут, как и междометия.
Для удобства можно составить табличку из четырех столбцов шести строк. В верхней строке назовите соответствующие столбцы «Типы слов», «Называние», «Понятие» и «Способно ли быть членом предложения». В первом левом столбце запишите названия типов слов, их всего пять. Определите, какими функциями обладает заданное слово, а каких у него нет. В соответствующих графа поставьте плюсы и . Если во всех трех графах стоят плюсы, то это знаменательный тип. У местоименного плюсы будут стоять в первом и третьем столбцах, - во второй и в третьей. Служебные слова могут только выражать понятие, то есть имеют один плюс во второй графе. Напротив междометий во всех трех столбцах будут стоять минусы.
Видео по теме
Гибридизацией называется процесс получения гибридов – растений или животных, произошедших от скрещения разных сортов и пород. Слово гибрид (hibrida) с латинского языка переводится как «помесь».
Гибридизация: естественная и искусственная
Процесс гибридизации основан на объединении в одной клетке генетического материала разных клеток от разных особей. Различается внутривидовая и отдаленная, при которой происходит соединение разных геномов. В природе естественная гибридизация происходила и происходит без участия человека постоянно. Именно скрещиваясь внутри вида, изменялись и улучшались растения и появлялись новые сорта и породы животных. С точки зрения происходит гибридизация ДНК, нуклеиновых кислот, изменения на атомном и внутриатомном уровнях.
В академической химии под гибридизацией понимается специфическое взаимодействие в молекулах вещества атомных орбиталей. Но это не реальный физический процесс, а лишь гипотетическая модель, концепция.
Гибриды в растениеводстве
В 1694 году немецкий ученый Р. Камерариус предложил искусственно получать . А в 1717 году английский Т. Фэрчайдл впервые скрестил разные виды гвоздик. Сегодня внутривидовая гибридизация растений производится с целью получения высокоурожайных или приспособленных, например, морозостойких сортов. Гибридизация форм и сортов является одним из методов селекции растений. Таким образом создано огромное количество современных сортов сельхозкультур.
При отдаленной гибридизации, когда скрещиваются представители разных видов и происходит объединение разных геномов, полученные гибриды в большинстве случаев не дают потомство или производят помеси низкого качества. Именно поэтому нет смысла оставлять семена созревших на грядке огурцов-гибридов, а всякий раз покупать их семена в специализированном магазине.
Селекция в животноводстве
В мире естественная гибридизация, как внутривидовая, так и отдаленная, также имеет место. Мулы были известны человеку еще за две тысячи лет до нашей эры. И в настоящее время мул и лошак используется в домашнем хозяйстве как относительно дешевое рабочее животное. Правда, такая гибридизация является межвидовой, поэтому самцы-гибриды рождаются обязательно стерильными. Самки же очень редко могут дать потомство.
Мул – это гибрид кобылицы и осла. Гибрид, полученный от скрещивания жеребца и ослицы, называется лошак. Специально разводятся мулы. Они выше и сильнее лошака.
А вот скрещивание домашней собаки с волком было очень распространенным занятием у охотников. Затем, полученное потомство подвергалось дальнейшей селекции, в результате создавались новые породы собак. Сегодня селекция животных – важная составляющая успешности отрасли животноводства. Гибридизация проводится целенаправленно, с ориентацией на заданные параметры.
Гибридизация – выравнивание (смешивание) атомных орбиталей (s и р ) с образованием новых атомных орбиталей, называемых гибридными орбиталями .
Атомная орбиталь – это функция, которая описывает плотность электронного облака в каждой точке пространства вокруг ядра атома. Электронное облако – это область пространства, в которой с высокой вероятностью может быть обнаружен электрон
Sp-гибридизация
Происходит при смешивании одной s- и одной p-орбиталей. Образуются две равноценные sp-атомные орбитали, расположенные линейно под углом 180 градусов и направленные в разные стороны от ядра центрального атома. Две оставшиеся негибридные p-орбитали располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях и участвуют в образовании π-связей, либо занимаются неподелёнными парами электронов.
Sp2-гибридизация
Sp2-гибридизация
Происходит при смешивании одной s- и двух p-орбиталей. Образуются три гибридные орбитали с осями, расположенными в одной плоскости и направленными к вершинам треугольника под углом 120 градусов. Негибридная p-атомная орбиталь перпендикулярна плоскости и, как правило, участвует в образовании π-связей
В таблице приведены примеры соответствия наиболее распространённых типов гибридизации и геометрической структуры молекул в предположении, что все гибридные орбитали участвуют в образовании химических связей (отсутствуют неподелённые электронные пары)
|
Тип гибридизации |
Число гибридных орбиталей |
Геометрия |
Структура |
Примеры |
|
Линейная |
|
BeF 2 , CO 2 , NO 2 + |
||
|
sp 2 |
Треугольная |
|
BF 3 , NO 3 - , CO 3 2- |
|
|
sp 3 |
Тетраэдрическая |
|
CH 4 , ClO 4 - , SO 4 2- , NH 4 + |
|
|
dsp 2 |
Плоскоквадратная |
|
Ni(CO) 4 , 2- |
|
|
sp 3 d |
Гексаэдрическая |
| ||
|
sp 3 d 2 , d 2 sp 3 |
Октаэдрическая |
|
SF 6 , Fe(CN) 6 3- , CoF 6 3- |
4. Электровалентная, ковалентная, донорно-акцепторная, водородная связи. Электронное строение σ и π связи. Основные характеристики ковалентной связи: энергия связи, длина, валентный угол, полярность, поляризуемость.
Если между двумя атомами или двумя группами атомов имеет место электростатическое взаимодействие приводящее к сильному притяжению и образованию химической связи, то такая связь называется электровалентной или гетерополярной.
Ковалентная связь- химическая связь, образованная перекрытием пары валентных электронных облаков. Обепечивающие связь электронные облака называется общей электронной парой.
Донорно-акцепторная связь –это химическая связь между двумя атомами или группой атомов, осуществляемая за счет неподеленной пары электронов одного атома (донора) и свободного уровня другого атома (акцептора). Это связь отличается от ковалентной связи происхождением связи электронов.
Водородная связь -это вид химического взаимодейсвия атомов в молекуле отличающийся тем, что существенное участие в нем принимает атом водорода, уже связанный ковалентной связью с другими атомами
σ связь-это первая и более прочная связь, которая образуется при перекрывании электронных облаков в направлении прямой, соединяющий центры атомов.
σ связь-это обычные ковалентные связи атомов углерода с атомами водорода. Молекулы предельных углеродов содержат только σ связи.
π связь это менее прочная связь, которая образуется при перекрывании электронных плоскости атомов ядер
Электроны π и σ связи теряют свою принадлежность к определенному атому.
Особенности σ и π связи: 1)вращение атомов углерода в молекуле возможна в случае, если они соединены σ связью 2)появление π связи лишает атома углерода в молекуле в свободного вращения.
Длина связи- это расстояние между центрами связанных атомов.
Валентный угол- это угол между двумя связями, имеющий общий атом.
Энергия связи- энергия, выделяющаяся при образовании хим. связи и характеризующаяся ее прочность
Полярность связи обусловлена неравномерным распределением электронной плотности вследствие различий в электроотрицательностях атомов. По этому признаку ковалентные связи подразделяются на неполярные и полярные. Поляризуемость связи выражается в смещении электронов связи под влиянием внешнего электрического поля, в том числе и другой реагирующей частицы. Поляризуемость определяется подвижностью электронов. Полярность и поляризуемость ковалентных связей определяет реакционную способность молекул по отношению к полярным реагентам.
5.
Ионная связь (электровалентная)-
очень прочная химическая связь,
образующаяся между атомами с большой
разностью электроотрицательностей,
при которой общая электронная пара
переходит преимущественно к атому с
большей электроотрицательностью.
Ковалентная
связь – возникает за счет обобществления
электронной пары посредством обменного
механизма, когда каждый из взаимодействующих
атомов поставляет по одному электрону.
Донорно акцепторная связь (координационная
связь) химическая связь между двумя
атомами или группой атомов, осуществляемая
за счет неподеленной пары электронов
одного атома (донора) и свободной орбитали
другого атома (акцептора).пример NH4
Для возникновения
водородных связей важно, чтобы в молекулах
вещества были атомы водорода, связанные
с небольшими, но электроотрицательными
атомами, например: O, N, F. Это создает
заметный частичный положительный заряд
на атомах водорода. С другой стороны,
важно, чтобы у электроотрицательных
атомов были неподеленные электронные
пары. Когда обедненный электронами атом
водорода одной молекулы (акцептор)
взаимодействует с неподеленной
электронной парой на атоме N, O или F
другой молекулы (донор), то возникает
связь, похожая на полярную ковалентную.
При
образовании ковалентной связи в молекулах
органических соединений общая электронная
пара заселяет связывающие молекулярные
орбитали, имеющие более низкую энергию.
В зависимости от формы МО – σ-МО или
π-МО – образующиеся связи относят к σ-
или p-типу.
σ-Связь
– ковалентная связь, образованная при
перекрывании s-, p- и гибридных АО вдоль
оси, соединяющей ядра связываемых атомов
(т. е. при осевом перекрывании АО) .
π-Связь
– ковалентная связь, возникающая при
боковом перекрывании негибридных р-АО.
Такое перекрывание происходит вне
прямой, соединяющей ядра атомов.
π-Связи
возникают между атомами, уже соединенными
σ-связью (при этом образуются двойные
и тройные ковалентные связи) . π-Связь
слабее σ-связи из-за менее полного
перекрывания р-АО.
Различное
строение σ- и π-молекулярных орбиталей
определяет характерные особенности σ-
и π-связей.
1.σ-Связь
прочнее π-связи. Это обусловлено более
эффективным осевым перекрыванием АО
при образовании σ-МО и нахождением
σ-электронов между ядрами.
2.По
σ-связям возможно внутримолекулярное
вращение атомов, т. к. форма σ-МО допускает
такое вращение без разрыва связи (cм
аним. Картинку внизу)) . Вращение по
двойной (σ + π) связи невозможно без
разрыва π-связи!
3.Электроны
на π-МО, находясь вне межъядерного
пространства, обладают большей
подвижностью по сравнению с σ-электронами.
Поэтому поляризуемость π-связи значительно
выше, чем σ-связи.
Характерные свойства ковалентной связи - направленность, насыщаемость, полярность, поляризуемость - определяют химические и физические свойства соединений.
Направленность связи обусловлена молекулярным строением вещества и геометрической формы их молекулы. Углы между двумя связями называют валентными.
Насыщаемость - способность атомов образовывать ограниченное число ковалентных связей. Количество связей, образуемых атомом, ограничено числом его внешних атомных орбиталей.
Полярность связи обусловлена неравномерным распределением электронной плотности вследствие различий в электроотрицательностях атомов. По этому признаку ковалентные связи подразделяются на неполярные и полярные (неполярные - двухатомная молекула состоит из одинаковых атомов (H 2 , Cl 2 , N 2) и электронные облака каждого атома распределяются симметрично относительно этих атомов; полярные - двухатомная молекула состоит из атомов разных химических элементов, и общее электронное облако смещается в сторону одного из атомов, образуя тем самым асимметрию распределения электрического заряда в молекуле, порождаядипольный момент молекулы).
Поляризуемость связи выражается в смещении электронов связи под влиянием внешнего электрического поля, в том числе и другой реагирующей частицы. Поляризуемость определяется подвижностью электронов. Полярность и поляризуемость ковалентных связей определяет реакционную способность молекул по отношению к полярным реагентам.
6.Номенклатура представляет собой систему правил, позволяющих дать однозначное название каждому индивидуальному соединению. Для медицины знание общих правил номенклатуры имеет особенно большое значение, так как в соответствии с ними строятся названия многочисленных лекарственных средств. В настоящее время общепринята систематическая номенклатура ИЮПАК (IUPAC - Международный союз теоретической и прикладной химии)*.
Однако до сих пор сохраняются и широко применяются (особенно в медицине) тривиальные (обыденные) и полутривиальные названия, использовавшиеся еще до того, как становилось известным строение вещества. В этих названиях могут отражаться природные источники и способы получения, особо заметные свойства и области применения. Например, лактоза (молочный сахар) выделена из молока (от лат. lactum - молоко), пальмитиновая кислота - из пальмового масла, пировиноградная кислота получена при пиролизе виноградной кислоты, в названии глицерина отражен его сладкий вкус (от греч. glykys - сладкий).
Тривиальные названия особенно часто имеют природные соединения - аминокислоты, углеводы, алкалоиды, стероиды. Употребление некоторых укоренившихся тривиальных и полутривиальных названий разрешается правилами ИЮПАК. К таким названиям относятся, например, «глицерин» и названия многих широко известных ароматических углеводородов и их производных.
Рациональная номенклатура предельных углеводородов
В отличие от тривиальной названия основываются на строении молекул. Названия сложных структур состовляют из названия блоков те радикалов связанных с основным навиболее важным узлом молекулы по этой номенклатуре алканы рассматриваются как производные метана у которого атомы водорода замещены соответствующими радикалами. Выбор метанового углерода произвольный поэтому 1 соедин может иметь неск названий.по этой номенклатуре алкены рассматривают как производные этилена а алкины-ацетилена.
7. Гомология органических соединений или закон гомологов - состоит в том, что вещества однойхимической функции и одинакового строения, отличающиеся друг от друга по своему атомному составу лишьна nСН 2, оказываются сводными и во всем своем остальном хим. характере, а различие их физическихсвойств возрастает или вообще изменяется правильно по мере увеличения разницы в составе,определяемой числом n групп СН 2. Такие хим. сходственные соединения образуют так наз. гомологическийряд, атомный состав всех членов которого возможно выразить общею формулою в зависимости от составапервого члена ряда и числа атомов углерода; органические вещества одного названия типо алканы только.
Изомеры- соединения имеющие одинаковый состав но разное строение и свойства.
8. Нуклеоф и льные и электроф и льные реаг е нты . Участвующие в замещения реакциях реагенты подразделяются на нуклеофильные и электрофильные. Нуклеофильные реагенты, или нуклеофилы, предоставляют свою паруэлектронов на образование новой связи и вытесняют из молекулы RX уходящую группу (X) с парой электронов, образовывавшей старую связь, например:
(где R - органический радикал).
К нуклеофилам относятся отрицательно заряженные ионы (Hal - , ОН - , CN - , NO 2 - , OR - , RS - , NH 2 - , RCOO - и др.), нейтральные молекулы, обладающие свободной парой электронов (например, Н 2 О, NH3, R 3 N, R 2 S, R 3 P, ROH, RCOOH), и металлоорганич. соединения R - Me с достаточно поляризованной связью С - Me + , т. е. способные быть донорами карбанионов R - . Реакции с участием нуклеофилов (нуклеофильное замещение) характерны главным образом Для алифатических соединений, например гидролиз (ОН - , Н 2 О), алкоголиз (RO - , ROH), ацидолиз (RCOO - , RСООН), аминирование (NH - 2 , NH 3 , RNH 2 и др.), цианирование (CN -) и т. д.
Электрофильные реагенты, или электрофилы, при образовании новой связи служат акцепторами пары электронов и вытесняют уходящую группу в виде положительно заряженной частицы. К электрофилам относятся положительно заряженные ионы (например, Н + , NO 2 +), нейтральные молекулы с электронным дефицитом, например SO 3 , и сильно поляризованные молекулы (СН 3 СОО - Br + и др.), причём поляризация особенно эффективно достигаетсякомплексообразованием с коэффициентами Льюиса (Hal + - Hal - · А, R + - Cl - · A, RCO + - Cl - · А, где A= A1C1 3 , SbCl 5 , BF 3 и др.). К реакциям с участием электрофилов (электрофильное замещение) относятся важнейшие реакцииароматических углеводородов (например, нитрование, галогенирование, сульфирование, реакция Фриделя - Крафтса):
(E + = Hal + , NO + 2 , RCO + , R + и др.)
В определённых системах реакции с участием нуклеофилов осуществляются в ароматическом ряду, а реакции с участием электрофилов - в алифатическом (чаще всего в ряду металлоорганических соединений).
53. взаимодействие оксосоединений с металлорганическими (кетон или альдегид плюс металорганика)
Реакции широко используются для получения спиртов.при присоединении к формальдегиду реактива гриньяра(R-MgX) образуется первичный спирт, другим альдегидом вторичные, а кетонам тритичные спирты
Модель атома углерода
Валентные электроны атома углерода располагаются на одной 2s-орбитали и двух 2р-орбиталях. 2р-Орбитали расположены под углом 90° друг к другу, а 2s-орбиталь имеет сферическую симметрию. Таким образом, расположение атомных орбиталей углерода в пространстве не объясняет возникновения в органических соединениях валентных углов 109,5°, 120° и 180°.
Чтобы разрешить это противоречие, было введено понятие гибридизации атомных орбиталей. Для понимания природы трех вариантов расположения связей атома углерода понадобились представления о трех типах гибридизации.
Возникновением концепции гибридизации мы обязаны Лайнусу Полингу, много сделавшему для развития теории химической связи.
Концепция гибридизации объясняет, каким образом атом углерода видоизменяет свои орбитали при образовании соединений. Ниже мы будем рассматривать этот процесс трансформации орбиталей постадийно. При этом надо иметь в виду, что расчленение процесса гибридизации на стадии или этапы есть, на самом деле, не более чем мысленный прием, позволяющий более логично и доступно изложить концепцию. Тем не менее заключения о пространственной ориентации связей углеродного атома, к которым мы в итоге придем, полностью соответствуют реальному положению дел.
Электронная конфигурация атома углерода в основном и возбужденном состоянии
На рисунке слева показана электронная конфигурация атома углерода. Нас интересует только судьба валентных электронов. В результате первого шага, который называют возбуждением или промотированием , один из двух 2s-электронов перемещается на свободную 2р-орбиталь. На втором этапе происходит собственно процесс гибридизации, который несколько условно можно представить себе как смешение одной s- и трех р-орбиталей и образование из них четырех новых одинаковых орбиталей, каждая из которых на одну четверть сохраняет свойства s-орбитали и на три четверти - свойства р-орбиталей. Эти новые орбитали получили название sp 3 -гибридных . Здесь надстрочный индекс 3 обозначает не число электронов, занимающих орбитали, а число р-орбиталей, принявших участие в гибридизации. Гибридные орбитали направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом углерода. На каждой sp 3 -гибридной орбитали находится по одному электрону. Эти электроны и участвуют на третьем этапе в образовании связей с четырьмя атомами водорода, образуя валентные углы 109,5°.
sp3 — гибридизация. Молекула метана.
Образование плоских молекул с валентными углами 120° показано на рисунке ниже. Здесь, как и в случае sp 3 -гибридизации, первый шаг - возбуждение. На втором этапе в гибридизации участвуют одна 2s- и две 2р — орбитали, образуя три s р 2 -гибридных орбитали, расположенных в одной плоскости под углом 120° друг к другу.
Образование трех sр2-гибридных орбиталей
Одна p-рорбиталь остается негибридизованной и располагается перпендикулярно плоскости sр 2 –гибридных орбиталей. Затем (третий шаг) две sр 2 -гибридные орбитали двух углеродных атомов объединяют электроны, образуя ковалентную связь. Такая связь, образующаяся в результате перекрывания двух атомных орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра атома, называется σ -связью .
Образование сигма — и пи-связей в молекуле этилена
Четвертый этап - образование второй связи между двумя углеродными атомами. Связь образуется в результате перекрывания обращенных друг к другу краев негибридизованных 2р-орбиталей и называется π-связью . Новая молекулярная орбиталь представляет собой совокупность двух занятых электронами π-связи областей - над и под σ-связью. Обе связи (σ и π) вместе составляют двойную связь между атомами углерода. И наконец, последний, пятый шаг - образование связей между атомами углерода и водорода с помощью электронов четырех оставшихся sр 2 -гибридных орбиталей.
Двойная связь в молекуле этилена
Третий, последний тип гибридизации, показан на примере простейшей молекулы, содержащей тройную связь,- молекулы ацетилена. Первый шаг - возбуждение атома, такой же, как раньше. На втором этапе происходит гибридизация одной 2s- и одной 2р-орбиталей с образованием двух s р-гибридных орбиталей, которые располагаются под углом 180°. И остаются не измененными две 2р-орбитали, необходимые для образования двух π-связей.
Образование двух sр-гибридных орбиталей
Следующий шаг - образование σ-связи между двумя sр-гибридизованными углеродными атомами, затем образуются две π-связи. Одна σ-связь и две π-связи между двумя атомами углерода вместе составляют тройную связь . И наконец, образуются связи с двумя атомами водорода. Молекула ацетилена имеет линейное строение, все четыре атома лежат на одной прямой.
Мы показали, каким образом три основных в органической химии типа геометрии молекул возникают в результате различных трансформаций атомных орбиталей углерода.
Можно предложить два способа определения типа гибридизации различных атомов в молекуле.
Способ 1 . Наиболее общий способ, пригодный для любых молекул. Основан на зависимости валентного угла от гибридизации:
а) валентные углы 109,5°, 107° и 105° свидетельствуют об sр 3 -гибридизации;
б) валентный угол около 120° -sр 2 -гибридизация;
в) валентный угол 180°-sp-гибридизация.
Способ 2 . Пригоден для большинства органических молекул. Поскольку тип связи (простая, двойная, тройная) связан с геометрией, можно по характеру связей данного атома определить тип его гибридизации:
а) все связи простые – sр 3 -гибридизация;
б) одна двойная связь – sр 2 -гибридизация;
в) одна тройная связь — sp-гибридизация.
Гибридизация — это мысленная операция превращения обычных (энергетически наиболее выгодных) атомных орбиталей в новые орбитали, геометрия которых соответствует экспериментально определенной геометрии молекул.
Гибридизацией называется гипотетический процесс смешения различного типа, но близких по энергии орбиталей данного атома с возникновением того же числа новых (гибридных 1) орбиталей, одинаковых по энергии и форме.
Гибридизация атомных орбиталей происходит при образовании ковалентных связей.
Гибридные орбитали имеют форму объёмной несимметричной восьмёрки, сильно вытянутой в одну сторону от атомного ядра: .
Такая форма обусловливает более сильное, чем в случае чистых атомных орбиталей, перекрывание гибридных орбиталей с орбиталями (чистых или гибридных) других атомов и приводит к образованию более прочных ковалентных связей. Поэтому энергия, затрачиваемая на гибридизацию атомных орбиталей, с избытком компенсируется выделением энергии за счёт образования более прочных ковалентных связей с участием гибридных орбиталей. Название гибридных орбиталей и тип гибридизации определяются числом и типом участвующих в гибридизации атомных орбиталей, например: sp -, sp 2 -, sp 3 -, sp 2 d - или sp 3 d 2 -гибридизация .
Направленность гибридных орбиталей, а следовательно, и геометрия молекулы зависят от типа гибридизации. На практике обычно решается обратная задача: вначале экспериментально устанавливается геометрия молекулы, после чего описывается тип и форма гибридных орбиталей, участвующих в её образовании.
sp -Гибридизация. Две гибридных sp - орбитали в результате взаимного отталкивания располагаются относительно атомного ядра таким образом, что угол между ними составляет 180° (рис. 7).
Рис. 7. Взаимное расположение в пространстве двух sp - гибридных орбиталей одного атома: а - поверхности, охватывающие области пространства, где вероятность пребывания электрона составляет 90 %; б - условное изображение.
В результате такого расположения гибридных орбиталей молекулы состава АХ 2 , где А является центральным атомом, имеют линейное строение , то есть ковалентные связи всех трёх атомов располагаются на одной прямой. Например, в состоянии sp - гибридизации находятся валентные орбитали атома бериллия в молекуле ВеС1 2 (рис. 8). Линейную конфигурацию вследствие sp - гибридизации валентных орбиталей атомов имеют также молекулы ВеН 2 , Ве(СН 3) 2 , ZnCl 2 , CO 2 , HC≡N и ряд других.
Рис. 8. Трёхатомная линейная молекула хлорида бериллия ВеС1 2 (в газообразном состоянии): 1 - 3р- орбиталь атома Cl; 2 - две sp - гибридные орбитали атома Be.
s р 2 -Гибридизация. Рассмотрим гибридизацию одной s - и двух р- орбиталей. В этом случае в результате линейной комбинации трёх орбиталей возникают три гибридные s р 2 -орбитали. Они располагаются в одной плоскости под углом 120° друг к другу (рис. 9). s р 2 -Гибридизация характерна для многих соединений бора, который, как показано выше, в возбуждённом состоянии имеет три неспаренных электрона: один s - и два р -электрона. При перекрывании s р 2 -орбиталей атома бора с орбиталями других атомов образуются три ковалентные связи, равноценные по длине и энергии. Молекулы, в которых валентные орбитали центрального атома находятся в состоянии s р 2 -гибридизации, имеют треугольную конфигурацию. Углы между ковалентными связями равны 120°. В состоянии s р 2 -гибридизации находятся валентные орбитали атомов бора в молекулах BF 3 , BC1 3 , атомов углерода и азота в анионах СО 3 2 - , NO 3 - .
Рис. 9. Взаимное расположение в пространстве трёх s р 2 -гибридных орбиталей.
s р 3 -Гибридизация. Очень большое распространение имеют вещества, в молекулах которых центральный атом содержит четыре s р 3 -орбитали, образующиеся в результате линейной комбинации одной s - и трёх р -орбиталей. Эти орбитали располагаются под углом 109˚28′ друг к другу и направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится атомное ядро (рис. 10 а).
Образование четырёх равноценных ковалентных связей за счёт перекрывания s р 3 -орбиталей с орбиталями других атомов характерно для атомов углерода и других элементов IVA-группы; это обуславлиает тетраэдрическую структуру молекул (СН 4 , CC1 4 , SiH 4 , SiF 4 , GeH 4 , GeBr 4 и др).
Рис. 10. Влияние несвязывающих электронных пар на геометрию молекул:
a – метана (несвязывающих электронных пар нет);
б – аммиака (одна несвязывающая электронная пара);
в – воды (две несвязывающие пары).
Неподелённые электронные пары гибридных орбита лей . Во всех рассмотренных примерах гибридные орбитали были "заселены" одиночными электронами. Однако нередки случаи, когда гибридная орбиталь "заселена" электронной парой. Это оказывает влияние на геометрию молекул. Поскольку несвязывающая электронная пара испытывает воздействие ядра только своего атома, а связывающая электронная пара находится под действием двух атомных ядер, несвязывающая электронная пара находится ближе к атомному ядру, чем связывающая. В результате этого несвязывающая электронная пара сильнее отталкивает связывающие электронные пары, чем те отталкивают друг друга. Графически для наглядности большую отталкивающую силу, действующую между несвязывающей и связывающими электронными парами, можно изобразить большей по объёму электронной орбиталью несвязывающей пары. Несвязывающая электронная пара имеется, например, у атома азота в молекуле аммиака (рис. 10 б ). В результате взаимодействия со связывающими электронными парами валентные углы Н-N-Н сокращаются до 107,78° по сравнению со 109,5°, характерными для правильного тетраэдра.
Ещё большее отталкивание испытывают связывающие электронные пары в молекуле воды, где у атома кислорода имеются две несвязывающие электронные пары. В результате чего валентный угол Н-О-Н в молекуле воды равен 104,5° (рис. 10 в ).
Если несвязывающая электронная пара в результате образования ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму превращается в связывающую, то силы отталкивания между этой связью и другими ковалентными связями в молекуле выравниваются; выравниваются и углы между этими связями. Это происходит, например, при образовании катиона аммония:
Участие в гибридизации d -орбиталей. Если энергия атомных d - орбиталей не очень сильно отличается от энергий s - и р- орбиталей, то они могут участвовать в гибридизации. Самым распространённым типом гибридизации с участием d - орбиталей является s р 3 d 2 - гибридизация, в результате которой образуются шесть равноценных по форме и энергии гибридных орбиталей (рис. 11 а ), расположенных под углом 90˚ друг к другу и направленных к вершинам октаэдра, в центре которого находится атомное ядро. Октаэдр (рис. 11 б ) – является правильным восьмигранником: все рёбра в нём равной длины, все грани – правильные треугольники.
Рис. 11. s р 3 d 2 - Гибридизация
Реже встречается s р 3 d - гибридизация с образованием пяти гибридных орбиталей (рис. 12 а ), направленных к вершинам тригональной бипирамиды (рис. 12 б ). Тригональная бипирамида образуется соеинением двух равнобедренных пирамид общим основанием - правильным треугольником. Полужирными штрихами на рис. 12 б показаны рёбра равной длины. Геометрически и энергетически s р 3 d - гибридные орбитали неравноценны: три «экваториальные» орбитали направлены к вершинам правильного треугольника, а две «аксиальные» - вверх и вниз перпендикулярно плоскости этого треугольника (рис. 12в ). Углы между «экваториальными» орбиталями равны 120°, как при s р 2 - гибридизации. Угол между «аксиальной» и любой из «экваториальных» орбиталей равны 90°. Соответственно этому ковалентные связи, которые образуются с участием «экваториальных» орбиталей отличаются по длине и энергии от связей, в образовании которых участвуют «аксиальные» орбитали. Например, в молекуле РС1 5 «аксиальные» связи имеют длину 214 пм, а «экваториальные» - 202 пм.
Рис. 12. s р 3 d - Гибридизация
Таким образом, рассматривая ковалентные связи как результат перекрывания атомных орбиталей, можно объяснить геометрию возникающих при этом молекул и ионов, которая зависит от числа и типа атомных орбиталей, участвующих в образовании связей. Концепцию гибридизации атомных орбиталей, необходимо понимать, что гибридизация представляет собой условный приём, позволяющий наглядно объяснить геометрию молекулы посредством комбинации АО.
