Гибридизация химия sp: sp3, sp2 и sp. ✎ pangenes.ru

Содержание

sp3, sp2 и sp. ✎ pangenes.ru

Гибридизация sp3, sp2 и sp в органической химии с практическими примерами.

Введение

Зачем нам теория гибридизации?

Вот один ответ на это. Экспериментально подтверждено, что атом углерода в метане (CH4) и других алканах имеет тетраэдрическую структуру.

  • Напомним, что в тетраэдрической геометрии все углы имеют 109,5°, а связи имеют одинаковую длину.
  • Помните также, что ковалентные связи образуются в результате перекрывания орбиталей и совместного использования двух электронов между атомами.

Итак, чтобы предсказать валентность и геометрию атома углерода, мы рассмотрим его электронную конфигурацию и орбитали.

C – 1s 2 2s 2 2p 2

Валентные электроны — те, которые находятся на

2s и 2p орбиталях, и те, которые участвуют в связывании и химических реакциях.

Из конфигурации электронов видно, что невозможно создать четыре одинаковые по длине, энергии и всем остальным параметрам связи, потому что одна из орбиталей является сферической s, а остальные три — p — орбиталями.

  • И именно здесь мы нуждаемся в теории, которая может помочь нам объяснить известную геометрию и валентность атома углерода во многих органических молекулах.

Гибридизация это теория, которая используется для объяснения определенных молекулярных геометрий, которые в противном случае были бы невозможны.

Гибридизация sp3

Теперь давайте посмотрим, как это происходит, используя метан в качестве примера.

На первом этапе один электрон перепрыгивает с 2s на 2p орбиталь. Это приводит к возбужденному состоянию углерода:

Обратите внимание, что электрон движется вперед, так как p — оболочка выше по энергии, чем s — оболочка, и это не является энергетически выгодным, но мы увидим, как это компенсируется на следующем этапе, когда орбитали смешаны (гибридизованы).

  • Таким образом, на следующем этапе s и p — орбитали углерода в возбужденном состоянии гибридизуются с образованием четырех одинаковых по размеру, форме и энергии орбиталей.

Количество гибридных орбиталей всегда совпадает с количеством смешанных орбиталей.

Итак, четыре орбитали (одна 2s + три 2p) смешаны, и в результате получается четыре

sp3 орбитали. Это гибридные орбитали, которые похожи на s и p — орбитали.

  • Таким образом, мы называем их sp3, потому что они образованы из одной s орбитали и трех p орбиталей.

Образование этих вырожденных гибридных орбиталей компенсирует энергию подъема s — p — перехода, поскольку они имеют меньшую энергию, чем p — орбитали.

Четыре sp3 — гибридизованные орбитали располагаются в тетраэдрической геометрии и образуют связи, перекрывая s — орбитали четырех водородов: это объясняет симметричную геометрию метана (CH4), где все связи имеют одинаковую длину и угол связи.

Все четыре связи C — H в метане являются одинарными связями, которые образуются путем лобового (или конечного) перекрытия

sp3 — орбиталей углерода и s — орбитали каждого водорода.

Связи, которые образуются путем встречного перекрытия орбиталей, называются σ (сигма) связями, потому что электронная плотность сосредоточена на оси, соединяющей атомы C и H.

Этан — Ch4-Ch4 и другие алканы

Если вместо одного водорода мы подключим другой sp3 — гибридизированный углерод, мы получим этан:

И, следовательно, во всех алканах существует сигма — связь между атомами углерода и атомами углерод — водород, и атомы углерода sp3 гибридизуются с тетраэдрической геометрией:

Чтобы обобщить это, любой атом с четырьмя группами (или атом или одинокая пара) является sp3 гибридизированным.

  • И если посмотреть на это, то, чтобы четыре группы были как можно дальше друг от друга, как мы знаем из теории отталкивания электронных пар, группы должны находиться на одинаковых четырех орбиталях, что возможно только в гибридизации
    sp3
    .

Например, какая гибридизация кислорода в следующей молекуле?

Кислород связан с двумя атомами и имеет две неподеленные пары. Всего — четыре группы, и именно поэтому он sp3 гибридизован.

Гибридизация sp2

Когда атом углерода находится в возбужденном состоянии, sp3 — гибридизация не является единственным вариантом смешивания орбиталей.

Гибридизация sp2 происходит, когда s — орбиталь смешивается только с двумя p — орбиталями, в отличие от трех p — орбиталей в гибридизации sp3

.

  • Итак, три орбитали смешаны, и в результате получаются три гибридные орбитали, которые называются sp2 — гибридными орбиталями.

Получающиеся 3 sp2 — орбитали затем располагаются в тригональной плоской геометрии (120°).

Важным отличием здесь по сравнению с гибридизацией sp3 является неучтенная (негибридизированная) p — орбиталь, которая не участвовала в гибридизации. Эта орбиталь расположена под углом 90° к плоскости тригонального расположения трех орбиталей sp2:

Гибридизация углерода в этилене — C2H4

Два sp2 — гибридизированных атома углерода могут образовывать сигма — связь, перекрывая одну из трех sp2 — орбиталей и связываясь с двумя атомами водорода каждый, и два атома водорода образуют

сигма — связь с каждым углеродом, перекрывая их s — орбитали с двумя другими sp2 — орбиталями.

Это создает три связи для каждого углерода и одну орбиталь слева.

  • Помните, стандартная валентность углерода равна четырем, и ей положено иметь четыре связи.

Эта четвертая связь образована параллельным перекрытием двух 2p — орбиталей на каждом атоме углерода. Этот тип связи путем параллельного перекрытия орбиталей называется π-связью.

Итак, два атома углерода в этилене, который является первым членом семейства алкенов, имеют двойную связь.

  • В каждой двойной связи есть одна сигма и одна π-связь.

Вот некоторые ключевые параметры гибридизации

sp2 и двойных связей, которые вам необходимо знать:

* Все атомы на двойной связи находятся в одной плоскости;

* Угол между атомами составляет 120°;

* Угол между плоскостью и p — орбиталями составляет 90°.

Гибридизация sp

При sp — гибридизации s — орбиталь углерода в возбужденном состоянии смешивается только с одной из трех 2p — орбиталей.

Это называется sp — гибридизацией, потому что две орбитали (одна s и одна p) смешаны:

Получающиеся две sp — гибридные орбитали затем располагаются в линейной геометрии (180°), а две негибридизованные 2p — орбитали располагаются под углом 90°:

Давайте посмотрим, как это происходит в ацетилене — C2H2. Два атома углерода образуют сигма — связь, перекрывая sp — орбитали.


Один водород связывается с каждым атомом углерода, перекрывая его орбиталь с другой орбиталью.

Две p — орбитали каждого углерода перекрываются, образуя две π-связи.

Основные параметры sp гибридизации и тройной связи:

* Все атомы имеют линейную структуру;

* Угол между атомами составляет 180°;

* В тройной связи есть одна σ (сигма) и две π (пи) связи.

Гибридизация других элементов

В заключение, все, что мы обсуждали выше, относится не только к углероду.

Теория гибридизации работает с тем же принципом для всех других важных элементов в органической химии, таких как кислород, азот, галогены и многие другие.

Гибридизация атомных орбиталей | CHEMEGE.RU

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

 

 

Одна из характеристик химических связей — тип перекрывания орбиталей атомов в молекуле.
По характеру перекрывания различают σ-(сигма) и π‑(пи) связи.

 

σ-Связь — это связь, в которой перекрывание орбиталей происходит вдоль оси, соединяющей ядра атомов.

 

σ-Связь может быть образована любыми типами орбиталей (s, p, d, гибридизованными).

σ-Связь — это основная связь в молекуле, которая преимущественно образуется между атомами.

Между двумя атомами возможна только одна σ-связь.

Виды σ-связей

 

π-Связь — это связь, в которой перекрывание орбиталей происходит в плоскости, перпендикулярной оси, соединяющей ядра атомов, сверху и снизу от оси связи.

 

π-Связь образуется при перекрывании только р- (или d) орбиталей, перпендикулярных линии связи и параллельных друг другу.

 

π-Связь является дополнительной к σ-связи, она менее прочная и легче разрывается при химических реакциях.

 

Одинарная связь

С–С, С–Н, С–О

Двойная связь

С=С, С=О

Тройная связь

С≡С, С≡N

σ-связь σ-связь + π-связь σ-связь + две π-связи

 

 

Электронная формула атома углерода в основном состоянии: 

+6С 1s22s22p2

+6С  1s   2s   2p 

 

В возбужденном состоянии: один электрон переходит с 2s-подуровня на 2р-подуровень.

+6С* 1s22s12p3

+6С* 1s2   2s1  2p3 

 

Таким образом, в возбужденном состоянии углерод содержит четыре неспаренных электрона, может образовать четыре химические связи и проявляет валентность IV в соединениях.

При образовании четырех химических связей атомом углерода происходит гибридизация атомных орбиталей.

 

Гибридизация атомных орбиталей — это выравнивание электронной плотности атомных орбиталей разного типа с образованием новых, молекулярных орбиталей, форма и энергия которых одинаковы.

 

В гибридизацию вступают атомные орбитали с небольшой разницей в энергии (как правило, орбитали одного энергетического уровня). В зависимости от числа и типа орбиталей, участвующих в гибридизации, для атома углерода возможны sp3, sp2 и sp-гибридизация.

 

sp

3-Гибридизация

 

В sp3-гибридизацию вступают одна s-орбиталь и три p-орбитали. При этом образуются четыре sp3-гибридные орбитали:

 

Изображение с портала orgchem.ru

 

Четыре sp3-гибридные орбитали атома углерода взаимно отталкиваются, и располагаются в пространстве так, чтобы угол между орбиталями был максимально возможным.

 

Поэтому четыре гибридные орбитали углерода в состоянии sp3-гибридизации направлены в пространстве под углом 109о 28’  друг к другу, что соответствует тетраэдрическому строению.

 

 

Например, в молекуле метана CH4 атомы водорода располагаются в пространстве в вершинах тетраэдра, центром которого является атом углерода. Валентный угол Н–С–Н в метане равен 109о 28’

 

 

Молекулам линейных алканов с большим числом атомов углерода соответствует зигзагообразное расположение атомов углерода.

 

Например, пространственное строение н-бутана

 

 

sp

2-Гибридизация

 

В sp2-гибридизацию вступают одна s-орбиталь и две p-орбитали. Одна p-орбиталь не гибридизуется:

 

 

 

Три sp2-гибридные орбитали атома углерода взаимно отталкиваются, и располагаются в пространстве так, чтобы угол между орбиталями был максимально возможным.

 

Поэтому три sp2-гибридные орбитали атома углерода направлены в пространстве под углом 120одруг к другу, что соответствует плоскому строению (треугольник).

 

 

При этом негибридная р-орбиталь располагается перпендикулярно плоскости, в которой расположены три гибридные sp2— орбитали.

 

Изображение с портала orgchem.ru

 

Например, молекула этилена C2H4 имеет плоское строение. Сигма-связь между атомами углерода образуется за счет перекрывания sp2-гибридных орбиталей. Пи-связь между атомами углерода образуется за счет перекрывания негибридных р-орбиталей.

 

 

Модель молекулы этилена:

 

sp-Гибридизация

 

В sp-гибридизацию вступают одна s-орбиталь и одна p-орбиталь. Две p-орбитали не  вступают в гибридизацию:

 

 

Две sp-гибридные орбитали атома углерода направлены в пространстве под углом 180одруг к другу, что соответствует линейному строению.

 

Изображение с портала orgchem.ru

При этом две р-орбитали располагаются перпендикулярно друг другу и перпендикулярно линии, на которой расположены гибридные орбитали.

 

Например, молекула ацетилена имеет линейное строение.

 

 

 

Гибридизация атомных орбиталей. | Методическая разработка по химии (11 класс) на тему:

Слайд 1

Гибридизация атомных орбиталей

Слайд 2

Лайнус Карл Полинг

Слайд 3

Гибридизация атомных орбиталей – изменение формы и энергии орбиталей атома при образовании ковалентной связи для достижения более эффективного перекрывания орбиталей.

Слайд 4

Различные орбитали , несильно отличающиеся энергиями, образуют соответствующее число гибридных орбиталей . Число гибридных орбиталей равно числу атомных орбиталей, участвующих в гибридизации. Гибридные орбитали одинаковы по форме электронного облака и по энергии.

Слайд 5

В гибридизации участвуют не только связывающие электроны, но и неподеленные электронные пары.

Слайд 6

По сравнению с атомными орбиталями гибридные более вытянуты в направлении образования химических связей и поэтому обуславливают лучшее перекрывание электронных облаков.

Слайд 7

Гибридная орбиталь больше вытянута по одну сторону ядра , чем по другую .

Слайд 8

Коорд . число Тип гибридизации Пространственная конфигурация молекулы, центральный атом которой подвергается гибридизации Расположение атомов в молекуле Примеры соединений 2 sp Линейная BeCl 2 , CO 2 , HCN 3 sp 2 Тригональная BF 3 , BCl 3 , NO 3 — , HgI 3 — , CdCl 3 — 4 sp 3 Тетраэдрическая CH 4 , CCl 4 , XeO 4 , HgI 4 — ,

Слайд 9

sp-гибридизация — это гибридизация, в которой участвуют атомные орбитали одного s — и одного p -электронов

Слайд 10

В процессе гибридизации образуются 2 гибридные орбитали , которые ориентируются друг к другу под углом 180 °

Слайд 11

Представление о sp -гибридизации орбиталей можно применить для объяснения линейной формы молекулы BeH 2 , в которой атом бериллия образован гибридными sp -орбиталями .

Слайд 12

О бразование молекулы фторида бериллия . Каждый атом фтора, входящий в состав этой молекулы, обладает одним неспаренным электроном , который и участвует в образовании ковалентной связи.

Слайд 13

Атом бериллия в невозбужденном состоянии неспаренных электронов не имеет : Поэтому для участия в образовании химических связей атом бериллия должен перейти в возбужденное состояние :

Слайд 14

при затрате некоторой энергии вместо исходных s — и р-орбиталей атома бериллия могут образоваться две равноценные гибридные орбитали ( sp — орбитали ).

Слайд 15

Примеры химических соединений, для которых характерна sp -гибридизация : BeCl 2 , BeH 2 ,CO, CO 2 , HCN, карбин , ацетиленовые углеводороды ( алкины ).

Слайд 16

sp 2 -гибридизация – гибридизация, в которой участвуют атомные орбитали одного s — и двух p -электронов

Слайд 17

В результате гибридизации образуются три гибридные sp 2 орбитали , расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу

Слайд 18

Этот тип гибридизации наблюдается в молекуле BCl 3 .

Слайд 19

sp 2 — гибридизация атома бора в молекуле фторида бора . Здесь вместо исходных одной s — и двух р-орбиталей возбужденного атома бора

Слайд 20

образуются три равноценные sp 2 — орбитали . Поэтому молекула построена в форме правильного треугольника, в центре которого расположен атом бора, а в вершинах—атомы фтора.

Слайд 21

Примеры соединений, в которых наблюдается sp 2 -гибридизация: SO 3 , BCl 3 , BF 3 , AlCl 3 , CO 3 2- , NO 3 — , графит, этиленовые углеводороды ( алкены ), карбоновые кислоты и ароматические углеводороды ( арены).

Слайд 22

sp 3 — гибридизация – гибридизация, в которой участвуют атомные орбитали одного s — и трех p -электронов

Слайд 23

Четыре sp 3 -гибридные орбитали симметрично ориентированны в пространстве под углом 109°28′

Слайд 24

не всегда пространственная конфигурация молекулы соответствует тетраэдру, это зависит от числа атомов в молекуле. Примером тому служат молекул воды и аммиакаNH 3.

Слайд 25

Валентность атома азота – III, его пять электронов внешнего уровня занимают четыре орбитали , значит, тип гибридизации – sp 3 , но только три орбитали принимают участие в образовании химической связи. Тетраэдр без одной вершины превращается в пирамиду. Поэтому у молекулы аммиака форма молекулы пирамидальная, угол связи искажается до 107°30 ′.

Слайд 26

кислород в молекуле воды находится в sp 3 гибридном состоянии, а форма молекулы — угловая, угол связи составляет 104°27′.

Слайд 27

Примеры соединений, для которых характерна sp 3 -гибридизация: H 2 O, NH 3 , POCl 3 , SO 2 F 2 , SOBr 2 , NH 4+ , H 3 O + , алмаз, предельные углеводороды ( алканы , циклоалканы ).

7. Гибридизация орбиталей — ЗФТШ, МФТИ

Часто химические связи образуются за счёт электронов, расположенных на разных атомных орбиталях. Казалось бы, и связи в молекуле по прочности должны быть неравноценными. Однако опыт показывает, что они равнозначны. Это явление объясняется представлением о гибридизации атомных орбиталей, введённым американским химиком Л. Полингом.

Рассмотрим образование молекулы метана. Атом углерода в возбужденном состоянии обладает четырьмя неспаренными электронами: одним s-электроном и тремя р-электронами – 1s22s12p3. Экспериментальные данные показали, что все четыре связи С-Н в молекуле метана СН4 одинаковы и направлены к вершинам тетраэдра (угол между ними составляет 109о28′).

Одинаковая прочность связей объясняется гибридизацией валентных (внешних) орбиталей, то есть смешением их и выравниванием по форме и энергии. При этом число гибридных орбиталей равно числу исходных.

Четыре совершенно одинаковые sp3 –гибридные орбитали атома углерода расположены под углом 109о28′  друг к другу и направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом углерода. На рисунке видно, что гибридная орбиталь асимметрична и сильно вытянута по одну сторону от ядра.

Это обусловливает более сильное перекрывание гибридных орбиталей с орбиталями других атомов по сравнению с перекрыванием «обычных» s- и р-орбиталей и приводит к образованию более прочных связей.

 Ковалентная связь, которая образуется при перекрывании орбиталей вдоль линии, связывающей центры атомов, называется σ (сигма) – связью.

Так как гибридные электронные орбитали направлены к вершинам тетраэдра, то при образовании молекулы пропана С3Н8 направление химической связи между вторым и третьим атомами углерода не может совпадать с направлением связи между первым и вторым атомами углерода. Образуется угол 109о28′. Такие же углы существуют между четвертым, пятым и другими атомами углерода. Углеродная цепь принимает зигзагообразную форму:

Ещё один вид гибридизации осуществляется в соединениях углерода ряда этилена.  В этом случае происходит гибридизация одной s- и двух р-орбиталей углерода (sp2 –гибридизация). При этом образуются три одинаковые sp2 –гибридные орбитали, расположенные под углом 120о друг к другу. Таким образом каждый атом углерода имеет по три гибридных электронных облака и по одному негибридному р-облаку. Гибридные электронные облака взаимно перекрываются и образуют между атомами углерода σ –связь:

Остальные гибридные электронные облака атомов углерода перекрываются с s-облаками атомов водорода и также образуют σ -связи. Негибридные p-орбитали взаимно перекрываются в плоскости, которая расположена перпендикулярно плоскости σ-связей:

Ковалентная связь, возникающая при перекрывании орбиталей по обе стороны линии, связывающей центры атомов, называется π (пи) – связью.

Ещё одним примером, где происходит sp2 –гибридизации углерода, является молекула бензола.   Три атомные орбитали (одна s и две р) каждого углерода в молекуле бензола гибридизируются и образуют три σ -связи. Гибридные орбитали перекрываются друг с другом. Перекрывание всех электронных облаков на одном рисунке показать трудно, поэтому рассмотрим последовательно два рисунка. Ниже приведены схема образования σ -связей  в молекуле бензола:

Негибридные р-электронные орбитали атомов углерода расположены перпендикулярно плоскости направления σ-связей, они также перекрываются друг с другом, образуя единую систему π-связей:

В молекуле ацетилена С2Н2 каждый атом  углерода находится в sp-гибридном состоянии, образуя две гибридные связи, направленные под углом 180о друг к другу. Они, как уже упоминалось выше, называются σ — связями.

Но в молекуле ацетилена в каждом из атомов углерода содержится ещё по два p-электрона, которые не принимают участие в образование σ – связей. Молекула ацетилена имеет плоский линейный «скелет», поэтому оба р-электронных облака в каждом из атомов выступают из плоскости в перпендикулярном к ней направлении. При этом происходит некоторое взаимодействие электронных облаков, но менее сильное, чем при образовании σ – связей. В итоге в молекуле ацетилена образуются ещё две ковалентные углерод-углеродные  π-связи:

Под воздействием реагентов π-связь легко разрывается, она значительно слабее, чем σ–связь. π –связь образуется не только между атомами углерода, но и в случае образования двойных и тройных связей между углеродом и кислородом, углеродом и азотом.

Урок 3. пространственное строение молекул — Химия — 11 класс

Химия, 11 класс

Урок № 3. Пространственное строение молекул

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: гибридизацией называют образование одинаковых по энергии и форме орбиталей атома в результате сложения различных по энергии и форме орбиталей при возбуждении этого атома. При этом орбитали разной симметрии смешиваются и переходят в гибридные атомные орбитали одинаковой формы и одинаковой усредненной энергии, что обеспечивает равноценность образуемых ими связей. Различают sp, sp2,sp3 –гибридизацию.

Глоссарий

Гибридизация – процесс взаимодействия разных, но близких по энергии электронных орбиталей, приводящий к их выравниванию по форме и энергии.

Дельта связь (δ) – связь, образованная перекрыванием d-орбиталей всеми четырьмя лепестками.

Двойная связь образуется при наложении π-связи на σ-связь.

Орбиталь – область наиболее вероятного местонахождения электрона в атоме (атомная орбиталь) или в молекуле (молекулярная орбиталь).

Пи связь (π) – связь, образованная перекрыванием атомных орбиталей по обе стороны от линии, соединяющей ядра атомов (боковые перекрывания).

Сигма связь (σ) – связь, образованная перекрыванием атомных орбиталей по линии, соединяющей ядра взаимодействующих атомов.

Тройная связь образуется при наложении двух π-связей на σ-связь.

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс: учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М.: Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

  • Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

Гибридизацией называют образование одинаковых по энергии и форме орбиталей атома в результате сложения различных по энергии и форме орбиталей при возбуждении этого атома. При этом орбитали разной симметрии смешиваются и переходят в гибридные атомные орбитали одинаковой формы и одинаковой усредненной энергии, что обеспечивает равноценность образуемых ими связей.

При смешении s и р-орбиталей образуется две sp-гибридных орбитали, угол между осями которых равен 180°. Молекулы, в которых осуществляется sp-гибридизация, имеют линейную геометрию. Такой тип гибридизации характерен для ацетилена, хлорида цинка, гидрида бериллия.

При смешении s- и двух р-орбиталей образуется три sp2-гибридные орбитали, угол между осями которых равен 120°.

Молекулы, в которых осуществляется sp2-гибридизация, имеют плоскую геометрию. Такой тип гибридизации характерен для этилена, хлорида алюминия, фторида брома.

При смешении s и трех р-орбиталей – четыре sp3-гибридных орбитали, угол между осями которых равен 109°28′. Молекулы, в которых осуществляется sp3-гибридизация, имеют тетраэдрическую геометрию — метан, аммиак.

Форма гибридных атомных орбиталей отличается от формы исходных. В гибридной атомной орбитали электронная плотность смещается в одну сторону от ядра, поэтому при взаимодействии ее с атомной орбиталью другого атома происходит максимальное перекрывание, которое приводит к повышению энергии связи. Это повышение энергии связи компенсирует энергию, требуемую на образование гибридной орбитали. В результате химические связи, образованные гибридными орбиталями, прочнее, а полученная молекула – более устойчива.

Геометрическая конфигурация молекул полностью определяется типом гибридных орбиталей центрального атома только при условии, что все гибридные атомные орбитали участвуют в образовании связей. Если хотя бы на одной из них остается неподеленная электронная пара, то конфигурация, определяемая типом гибридизации, реализуется не полностью.

Более сложные виды гибридизации приводят к образованию более сложной пространственной конфигурации молекул. Например, у серы возможна sp3d2-гибридизация, которая приводит к октаэдрической конфигурации молекул.

Таким образом, пространственная структура молекул зависит от типа гибридизации центрального атома и числа неподеленных пар. Образование p-связей стабилизирует состояние молекулы.

ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЯ ЗАДАНИЙ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ

1. При сгорании 4,00 г органического соединения образовалось 4,48 л углекислого газа (н.у.) и 2,88 г воды. Вещество обесцвечивает бромную воду и вступает в реакцию с раствором гидроксида бария при нагревании, один из продуктов имеет формулу: СxHyOz+…O2→x CO2+y/2 H2O. На основании данных условия задания:

1) проведите необходимые вычисления и установите молекулярную формулу исходного органического вещества;

2) составьте структурную формулу этого вещества, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле.

Шаг 1. Определите количество вещества атомов углерода. Задание на ввод числа.

Решение: n(C) = n(CO2) = V(CO2)/Vm(CO2) = 4,48 л/22,4л/моль = 0,2 моль

Ответ: 0,2

Шаг 2. Определите количество вещества атомов водорода. Задание на ввод числа.

Решение: n(Н) = 2n(Н2О) = 2m(H2O) / M(H2O) = 2×2,88г/18 г/моль = 0,32 моль

Ответ: 0, 32

Шаг 3. Определите количество вещества атомов кислорода. Задание на ввод числа.

Решение: m(CxHyOz)= 0,20×12 + 0,32×1+ 16x = 4г, х = 0.08 моль

Ответ: 0, 08

Шаг 4. Находим соотношение атомов углерода, водорода и кислорода. Определяем количество атомов углерода.

Задание на ввод числа.

Решение: 0,2:0,32:0,08; 5:8:2

Ответ: 5

Шаг 5. Находим соотношение атомов углерода, водорода и кислорода. Определяем количество атомов водорода.

Задание на ввод числа.

Решение: 0,2:0,32:0,08; 5:8:2

Ответ: 8

Шаг 6. Находим соотношение атомов углерода, водорода и кислорода. Определяем количество атомов углерода.

Задание на ввод числа.

Решение: 0,2:0,32:0,08; 5:8:2

Ответ: 2

Шаг 7. Составляем молекулярную формулу искомого вещества.

Задание на ввод числа.

Ответ: 2

Шаг 8. Выберите правильную структурную формулу вещества, основываясь на условии в задании.

Задание на ввод числа.

СH3-CH=CH-CH2-COOH

1

2

Решение: Это могут быть, например, непредельная карбоновая кислота или сложный эфир.

Искомое вещество обесцвечивает бромную воду, значит, молекула содержит кратную углерод-углеродную связь. Искомое вещество вступает в реакцию с раствором гидроксида бария при нагревании. Из этого можно сделать вывод, что искомое вещество − сложный эфир непредельной кислоты, содержащей три атома углерода.

Значит, искомое вещество − это этиловый эфир пропеновой кислоты.

Ответ: 1

2. Некоторое органическое соединение содержит 62,1 % углерода и 27,6 % кислорода по массе. Известно, что это соединение может быть получено в результате термического разложения кальциевой соли соответствующей карбоновой кислоты. На основании данных условия задачи:

1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества;

2) составьте структурную формулу исходного вещества, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле.

Шаг 1. Определите содержания водорода по массе.

Задание на ввод числа.

Решение: 100-(62,1+27,6) =10,3

Ответ: 10,3

Шаг 2. Находим соотношение атомов углерода, водорода и кислорода. Определяем количество атомов углерода.

Задание на ввод числа.

Решение: 62,1/12=5,175

Ответ: 5,175

Шаг 3. Находим соотношение атомов углерода, водорода и кислорода. Определяем количество атомов водорода.

Задание на ввод числа.

Решение: 10,3/1=10,3

Ответ: 10,3

Шаг 4. Находим соотношение атомов углерода, водорода и кислорода. Определяем количество атомов углерода.

Задание на ввод числа.

Решение: 27,6/16=1,725

Ответ: 1,725

Шаг 5. Составляем молекулярную формулу искомого вещества.

Задание на ввод числа.

Ответ: 3

Шаг 6. Выберите правильную структурную формулу вещества, основываясь на условии в задании.

Задание на ввод числа.

1

2

Решение: Получить термическим разложением кальциевой соли соответствующей карбоновой кислоты можно только ацетон.

Ответ: 2

«Гибридизация атомных орбиталей (sp, sp2, sp3 гибридизации) и геометрия молекул»

Определи понятия.

Д.И. Менделеев предвидел возможность разъяснения вопросов с установлением строения атомов………..

В 20 веке ученые установили, что атом состоит из ядра и движущихся вокруг него ……….. Была разработана теория строения атома.

В 1911 году англ. Ученый Э. Резерфорд предложил «планетарную» модель…………….

Было установлено. Что заряды ядер атомов химических элементов численно равны их ………….в периодической системе.

С развитием учения о строении атома был выявлен физический смысл Периодического закона. В настоящее время его формулируют так: свойства химических элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от величины ………..атомов этих элементов

Просмотр видео ролика «Модели кристаллических решеток».

В обычных условиях только атомы инертных газов бесконечно долго могут находиться в состоянии одноатомного газа. Атомы всех остальных элементов путем химического взаимодействия образуют молекулы простых и сложных веществ. К настоящему времени их известно более 10 миллионов. При переходе от атомного к молекулярному состоянию происходит выделение энергии, и атом, входящий в состав молекулы, переходит в наиболее устойчивое состояние.

Понижение энергии при переходе от атомного состояния к молекулярному связано с заполнением электронами свободных орбиталей внешнего электронного уровня до определенного устойчивого состояния. Состояние электронной завершенности атомы могут достичь различными путями. В результате чего исторически сложились различные виды химической связи.

Лабораторный опыт № 1: (стр.62). Т/Б

Опыт 1. «Изготовление молекул веществ с различными видами связи.

1 группа : Собрать модель фтороводорода. воды

2 группа: Собрать модель йодоводорода и сероводорода.

Опыт 2. Изучение свойства веществ с разными кристаллическими решетками».

1 группа : нагрейте в пробирке: сахар , речной песок. (пробирка с сахаром закрыта ваткой)

2 группа: нагрейте в пробирке поваренную соль, йод. (пробирка с йодом закрыты ваткой)

Задание всем.

  1. Сделайте вывод офизических свойствах каждого вещества, о строении их кристаллических решетках.

Самостоятельное решение, оформляем. Делаем выводы.

Работа в группах

Лайнус Полинг, который является ученым с мировым именем, и знать о нем должен каждый образованный человек

Техника безопасности

(инструкции)

3. Типы гибридизации орбиталей атомов углерода (sp3-, sp2-, sp- гибритизация).

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

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

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

sp

2

Линейная

BeF2, CO2, NO2+

sp2

3

Треугольная

BF3, NO3, CO32-

sp3

4

Тетраэдрическая

CH4, ClO4, SO42-, NH4+

dsp2

4

Плоскоквадратная

Ni(CO)4, [PdCl4]2-

sp3d

5

Гексаэдрическая

PCl5, AsF5

sp3d2d2sp3

6

Октаэдрическая

SF6, Fe(CN)63-, CoF63-

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 Nh5 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 (H2, Cl2, N2) 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.

Электроны тем подвижнее, чем дальше они находятся от ядер.

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. Нуклеофильные и электрофильные реагенты. 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, NO2, OR, RS, NH2, RCOO и др.), нейтральные молекулы, обладающие свободной парой электронов (например, Н2О, Nh4, R3N, R2S, R3P, 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, Н2О), алкоголиз (RO, ROH), ацидолиз (RCOO, RСООН), аминирование (NH2, NH3, RNH2 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+, NO2+), нейтральные молекулы с электронным дефицитом, например SO3, и сильно поляризованные молекулы (СН3СООBr+ и др.), причём поляризация особенно эффективно достигаетсякомплексообразованием с коэффициентами Льюиса (Hal+ — Hal · А, R+ — Cl · A, RCO+ — Cl · А, где A= A1C13, SbCl5, BF3 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

Быстрое определение sp3, sp2 и sp Гибридизация

Теория гибридизации часто рассматривается как длинная и запутанная концепция, и это удобный навык, позволяющий быстро определить, является ли атом sp 3 , sp 2 или sp без необходимости вдаваться в подробности того, как произошла гибридизация.

К счастью, для этого есть ярлык, и в этом посте я попытаюсь резюмировать это в несколько отдельных шагов, которые вам необходимо выполнить.

Допустим, вас просят определить состояние гибридизации для пронумерованных атомов в следующей молекуле:

Первое, что вам нужно сделать, это определить количество групп, которые находятся на каждом атоме. Под группами мы понимаем либо атомы, либо неподеленные пары электронов. Это также известно как стерическое число (SN) .

Ниже приведены несколько примеров стерических чисел 2-4, которые в значительной степени являются тем, что вам нужно знать в органической химии:

Обратите внимание, что множественные связи не имеют значения, это атомы + неподеленные пары для любого типа связи.

Если вы знаете, как определить стерическое число (это из теории VSEPR), вам просто нужно применить следующую корреляцию:

Если стерическое число равно 4 , это будет sp 3

Если стерическое число равно 3 sp 2

Если стерическое число равно 2 sp

Итак, давайте вернемся к нашей молекуле и определим гибридизацию. состояния для всех атомов.

C1 — SN = 3 (три соединенных атома), следовательно, это sp 2

C2 — SN = 3 (три соединенных атома), следовательно, это sp 2

O4 — SN = 3 (1 атом + 2 одиночные пары), следовательно, это sp 2

O5 — SN = 4 (2 атома + 2 одиночные пары), поэтому это sp 3

C6 — SN = 4 (4 атома), следовательно, это sp 3

C7 — SN = 4 (4 атома), следовательно это sp 3

N8 — SN = 4 (3 атома + 1 одиночная пара), следовательно, это sp 3

C9 — SN = 2 (2 атомов), следовательно, это sp

C10 — SN = 2 (2 атома s), следовательно, это sp

В дополнение к этому методу также очень полезно запомнить некоторые черты, связанные со структурой и гибридизацией.В общем, атом со всеми одинарными связями — это sp 3 гибридизированный . Лучший пример — алканы. Все атомы углерода в алкане sp 3 гибридизованы с тетраэдрической геометрией.

Углероды в алкенах и других атомах с двойной связью часто являются sp 2 гибридизированными и имеют тригональную плоскую геометрию.

Тройная связь , с другой стороны, характерна для алкинов, у которых атомы углерода sp -гибридизированные .

Есть несколько общих исключений из того, что мы обсуждали об определении состояния гибридизации, и они в основном связаны с методом, в котором мы рассматриваем тип связи атома.

Например, в диоксиде углерода (CO 2 ) углерод имеет две двойные связи, но sp -гибридизирован.

Причина этого заключается в том, что стерическое число углерода равно двум (с ним связаны только два атома кислорода) и для того, чтобы поддерживать два атома при 180 o , что является оптимальной геометрией, углерод должен использовать две идентичные орбитали.Это возможно только в гибридизации sp . Две другие 2p-орбитали используются для образования двойных связей на каждой стороне углерода.

Другой распространенный и очень важный пример — карбокатионы.

Здесь углерод имеет только одинарные связи, и может показаться, что он должен быть гибридизированным sp 3 . Однако углерод в карбокатионах этого типа представляет собой sp 2 гибридизированный . Опять же, по той же причине, что его стерическое число равно 3 ( sp 2 — три идентичных орбитали).

Одним исключением из стерического числа являются, например, амиды. Атом азота здесь имеет стерическое число 4 и ожидается sp 3 . Однако из-за резонансной делокализации неподеленной пары она преобразуется из sp 3 в sp 2 , поскольку это единственный способ иметь электроны на выровненной p-орбитали, которые могут перекрываться. и участвуют в стабилизации резонанса с электронами пи-связи двойной связи C = O.

В большинстве случаев вам не нужно беспокоиться об исключениях, если вы выберете стерический номер.

1.

Определите состояние гибридизации каждого углерода и гетероатома (любого атома, кроме C и H) в следующих соединениях.

Подсказка: Не забудьте добавить недостающие неподеленные пары электронов там, где это необходимо.

a)

Проверьте свои ответы

Этот контент предназначен только для зарегистрированных пользователей.

Нажмите здесь, чтобы зарегистрироваться!

Присоединяясь к Chemistry Steps, вы получите мгновенный доступ к ответам и решениям для всех практических задач , включая более 20 часов видео по решению проблем, викторин с несколькими вариантами ответов, головоломок, и мощного набора из Краткое учебное пособие по органической химии 1 и 2 .

b)

Проверьте свои ответы

Этот контент предназначен только для зарегистрированных пользователей.

Нажмите здесь, чтобы зарегистрироваться!

Присоединяясь к Chemistry Steps, вы получите мгновенный доступ к ответам и решениям для всех практических задач , включая более 20 часов видео по решению проблем, викторин с несколькими вариантами ответов, головоломок, и мощного набора из Краткое учебное пособие по органической химии 1 и 2 .

c)

Проверьте свои ответы

Этот контент предназначен только для зарегистрированных пользователей.

Нажмите здесь, чтобы зарегистрироваться!

Присоединяясь к Chemistry Steps, вы получите мгновенный доступ к ответам и решениям для всех практических задач , включая более 20 часов видео по решению проблем, викторин с несколькими вариантами ответов, головоломок, и мощного набора из Краткое учебное пособие по органической химии 1 и 2 .

d)

Проверьте свои ответы

Этот контент предназначен только для зарегистрированных пользователей.

Нажмите здесь, чтобы зарегистрироваться!

Присоединяясь к Chemistry Steps, вы получите мгновенный доступ к ответам и решениям для всех практических задач , включая более 20 часов видео по решению проблем, викторин с несколькими вариантами ответов, головоломок, и мощного набора из Краткое учебное пособие по органической химии 1 и 2 .

Solution

Этот контент предназначен только для зарегистрированных пользователей.

Нажмите здесь, чтобы зарегистрироваться!

Присоединяясь к Chemistry Steps, вы получите мгновенный доступ к ответам и решениям для всех практических задач , включая более 20 часов видео по решению проблем, викторин с несколькими вариантами ответов, головоломок, и мощного набора из Краткое учебное пособие по органической химии 1 и 2 .

2.

Для каждого отмеченного атома добавьте недостающие неподеленные пары электронов, чтобы определить стерическое число, электронную и молекулярную геометрию, приблизительные углы связи и состояние гибридизации:

Проверьте свои ответы

Гибридная орбиталь — обзор

1.2. Семейство углерода

Хорошо известно, что атомы углерода могут иметь три разные гибридные орбитали, sp 3 , sp 2 и sp, дающие множество химических связей. Это разнообразие делает возможным огромное количество углеводородов, из которых можно построить большое количество органических материалов. Связь C – C с использованием гибридных орбиталей sp 3 и sp 2 была известна при создании алмаза и графита, соответственно, в углеродных материалах, которые являются неорганическими материалами.Однако недавние открытия бакминстерфуллерена C 60 и карбина, который, как предполагается, состоит из sp-связей, могут возобновить важность природы связи между атомами углерода. На рис. 1-7 показано, как разнообразие в природе связывания атомов углерода приводит к большому семейству органических молекул и что неорганические углеродные материалы, алмаз, графит, фуллерены и карбин, возникли в результате расширений и превратились в гигантские молекулы этих органических материалов. .

Рисунок 1-7.Огромные органические соединения на основе углерод-углеродных связей с использованием гибридных орбиталей sp 3 , sp 2 и sp и неорганических материалов в качестве их продолжения.

Здесь можно определить семейство неорганических углеродных материалов, семейство углерода, членами которого являются алмаз, графит, фуллерен и карбин. Структурные характеристики и структурное разнообразие в каждом семействе суммированы на рис. 1-8.

Рисунок 1-8. Структурные характеристики и возможности развития функции углеродного семейства.

Алмаз состоит из sp 3 орбиталей, где химические связи простираются в трехмерном пространстве и являются чисто ковалентными. Он очень твердый из-за своих ковалентных связей и является электрическим изолятором из-за высокой локализации электронов. Длительное периодическое повторение этой связи образует кристалл алмаза. Большинство кристаллов алмаза принадлежат к кубической системе, но некоторые к гексагональной системе, что можно понять по ее сходству со структурами типа цинковой обманки и вюрцита, соответственно, в ZnS и BN.В случае, когда дальнодействующая периодичность не достигается ни введением дефектов, ни водородом, но сохраняется связь sp 3 , образуется алмазоподобный углерод (DLC) с аморфной структурой.

Семейство углерода со связью sp 2 представлено графитом, где слои шестиугольников атомов углерода, связанных с помощью орбиталей sp 2 , уложены параллельно с использованием π-электронных облаков с регулярностью ABAB… гексагональная кристаллическая система.Также возможна регулярность упаковки ABCABC…, которая принадлежит к ромбоэдрической кристаллической системе, но она возникает только локально, например, из-за появления дефектов упаковки из-за напряжения сдвига во время шлифования. Параллельное наложение слоев с полной случайностью можно найти в основном в углеродных материалах, полученных при низких температурах, таких как 1300 ° C, где слои шестиугольников обычно небольшие, а несколько слоев накладываются параллельно. Эта структура, состоящая из случайного набора слоев, называется турбостратной структурой [Warren, 1934].Регулярное и случайное наложение, т. Е. Графитовое и турбостратное, соответственно, показано на рис. 1-9. При нагревании этих углей до высоких температур, до 3000 ° C, размер и количество уложенных друг на друга слоев обычно увеличиваются, а регулярность укладки улучшается. Другими словами, существует широкий диапазон структур, от полностью турбостратной укладки до чистой укладки ABAB, через промежуточные соединения с различными соотношениями этих двух типов укладки, которые зависят в первую очередь от исходных материалов (прекурсоров) и температуры термообработки (HTT) и , как следствие, широкое разнообразие свойств [Inagaki and Hishiyama, 1999].Углеродные материалы, принадлежащие к этому семейству углерода, основанные на графитовой структуре, являются электрически и теплопроводными и мягкими, в основном из-за наличия π-электронов, в отличие от алмаза.

Рисунок 1-9. Схема графитовой и турбостратной укладки углеродных слоев.

В этом семействе фундаментальной структурной единицей является слой углеродных шестиугольников (иногда называемый графеном), и, как следствие, материалы имеют сильную анизотропию, поскольку связи в слое локализованы как ковалентные, а связи между слоями ванны. дер Ваальс нравится.Следовательно, способ агломерации этих слоев, в дополнение к соотношению смешивания ABAB и турбостратных штабелей, приводит к разнообразию материалов. Классификация, основанная на схеме и степени преимущественной ориентации анизотропных слоев, была предложена [Инагаки, 1985а] и успешно используется (рис. 1-10).

Рисунок 1-10. Текстура в нанометровом масштабе в углеродных материалах основана на предпочтительной ориентации анизотропных гексагональных слоев [Inagaki, 1985c].

Первоначально необходимо различать случайные и ориентированные текстуры, а затем последние классифицируются по схеме ориентации по базовой плоскости (плоская ориентация), по базовой оси (осевая ориентация) и вокруг базовой точки (точечная ориентация).Крайними случаями этих схем ориентации являются монокристалл графита для планарной ориентации, многостенные нанотрубки для осевой ориентации и многостенные фуллерены для точечной ориентации. Текстура со случайной ориентацией встречается в стеклообразных углеродных волокнах. В зависимости от HTT в пиролитических углеводородах обнаруживаются различные промежуточные продукты с плоской ориентацией. При осевой ориентации возможно концентрическое и радиальное совмещение слоев относительно оси отсчета, причем первое находится в углеродных волокнах, выращенных из паровой фазы, а второе — в одном из углеродных волокон на основе мезофазного пека.При точечной ориентации также необходимо различать концентрическое и радиальное выравнивание: первое можно найти в частицах сажи, а второе — в сферах, образованных из смеси полиэтилена и поливинилхлорида путем карбонизации под давлением [Inagaki, et al., 1981; Hishiyama et al., 1982]. Структура мезофазных сфер близка к схеме точечной радиальной ориентации, но в их центрах ориентация слоев не радиальная [Brooks, Taylor, 1968; Auguie et al., 1980]. В этих сферических частицах, упомянутых выше, гексагональные углеродные слои выровнены радиально на поверхности, образуя параллель по широте.Однако недавно с помощью метода пламени горения были получены сферы с текстурой радиальной точечной ориентации и случайным расположением гексагональных слоев на поверхности [Despres et al., 1997].

Большинство частиц с плоской и осевой ориентацией, например пиролитические угли и углеродные волокна также являются анизотропными, поэтому их агломерация может создавать дополнительное разнообразие текстуры. Поэтому необходимо учитывать масштаб составляющих единиц текстуры: текстура из-за преимущественной ориентации анизотропных гексагональных слоев находится в нанометровом масштабе (рис.1-10), композиты на основе ворсов одежды из углеродных волокон состоят из текстуры в микрометрическом масштабе, а графитовые электроды имеют текстуру в миллиметровом масштабе коксовых зерен с углеродом, образованных из связующих пеков. Следовательно, разнообразие структур в этом семействе на основе графита в основном связано с размером шестиугольных слоев, их порядком наложения и схемой ориентации.

Ожидается, что природа связывания в частицах фуллерена будет близка к связи sp 2 , но это еще не ясно.Частица бакминстерфуллерена C 60 состоит из 12 пятиугольников и 20 шестиугольников атомов углерода. Увеличение числа шестиугольников в C 60 для разделения всех пятиугольников друг от друга приводит к гигантским фуллеренам, а разделение двух групп по шесть пятиугольников друг от друга приводит к нанотрубкам (рис. 1-11). В этом семействе углерода разнообразие структуры в основном связано с количеством атомов углерода, состоящих из частиц фуллерена, и относительным расположением 12 пятиугольников.

Рисунок 1-11. Расширение бакминстерфуллерена C 60 до гигантского фуллерена C 540 и нанотрубки.

Карбин, как предполагалось, представляет собой атомы углерода, связанные линейно sp-связью [Кудрявцев и др., 1997], где два π-электрона должны резонировать, что дает две возможности: альтернативное повторение одинарных и тройных связей (кумулен) и простое повторение двойных связей (полиин). Его подробная структура еще не выяснена, но одна из предложенных структурных моделей проиллюстрирована на рис.1-8, где некоторые атомы углерода образуют линию с использованием sp-гибридной орбитали, эти линии собираются в результате взаимодействия Ван-дер-Ваальса между π-электронными облаками, образуя слой, а затем эти слои накладываются друг на друга. В этом семействе карбинов разнообразие структуры в основном связано с количеством атомов углерода, образующих линию, другими словами, толщиной слоев линейных углеродных цепей и плотностью цепей в слое.

В этих углеродных семействах легирование или внедрение посторонних атомов приводит к дальнейшему расширению функций.У каждой семьи есть разные возможности, как показано на рис. 1-8. В семействе алмазов возможно только замещение атомов углерода чужеродными атомами, но в семействе графита может происходить интеркаляция ряда разновидностей (ионов и молекул) (интеркаляционные соединения; Глава 6) в дополнение к замещению чужеродных атомов. . В фуллеренах можно упомянуть четыре возможности: легирование в междоузлиях частиц фуллерена, легирование внутрь частиц, замещение чужеродных атомов на атомы углерода в частице и присоединение некоторых органических радикалов к поверхности частицы.2) # — ГИБРИДИЗИРОВАННАЯ СВЯЗЬ

Например, # «H» _2 «C» = «CH» _2 # включает две # сигма # связи (по одной для каждой одинарной связи), а затем одну # сигма # и одну # пи # связь (используется в одной двойной связи. ), поэтому необходимы три группы электронов, но углерод должен отдать 4 электронов.

Поскольку углерод имеет 4 валентных электронов, но его # p # орбитали (которые имеют самую высокую энергию) содержат только 2 , ему необходимо смешать две из трех орбиталей # 2p # с орбиталью # 2s #, чтобы использовать из 2 еще валентных электронов.3 # склеивание. Возьмем для примера # «CH» _4 #. Ему нужны четыре группы электронов, и он должен образовать четыре ИДЕНТИЧНЫХ # сигма # связи (по одной на каждую одинарную связь).

4 валентных электронов необходимо от углерода, но только 1 электронов необходимо внести на связь # sigma #. Итак, нам нужно четыре отдельных вырожденных гибридных орбиталей , чтобы сделать каждую # сигма # связью. Следовательно, все три орбитали # 2p # должны смешаться с орбиталью # 2s # и стабилизироваться по энергии в целом, чтобы получить четыре вырожденных гибридных орбитали .1 # гибридизация.)

Гибридизация (разница между sp, sp2, sp3) — Chad’s Prep®

Хорошо, в следующей главе вы действительно познакомитесь со всеми различными структурами и структурами точек Льюиса. Мы свяжем это в следующей главе со всеми различными геометриями и тому подобным. Мы, вероятно, немного забегаем вперед от того места, где вы читаете лекцию, но прежде чем мы поговорим об этом, мы действительно должны просто поговорить в общих чертах о трех различных типах связи, которые происходят.Итак, у вас есть ионная связь, ковалентная связь, металлическая связь. Итак, ионная связь, мы говорили об этом немного раньше, давайте просто представим, что связь похожа на карандаш. И мне просто, извините, как насчет того, чтобы электрон похож на ваш карандаш, и я только что украл ваш электрон. Это мое. Поскольку я взял ваш электрон, какой у вас сейчас заряд? Положительный заряд? Какую зарядку знаю как раз брал? Отрицательный. Итак, вы собираетесь разозлиться. Ты такой: «Чувак, я пытаюсь делать заметки, ты украл мой карандаш.«Но затем вы понимаете, что я отрицательный, а вы — положительный, и вы говорите:« О, но я думаю, Чад вообще-то симпатичный », и происходит ионная связь. связь. Итак, неметалл крадет электрон у металла, создавая разницу в заряде. Это перенос электронов. Но это приводит к связи. В данном случае электростатическая связь, или ионная. Она включает в себя, если можно так сказать правильно, перенос электронов. С другой стороны, в ковалентной связи, что происходит в ковалентной связи? Не перенос электронов.Это два неметалла. А что происходит с электронами? Ага, значит, это обмен электронами. И, как вы также сказали, вы в первую очередь узнаете его, потому что это неметалл с другим неметаллом. Итак, когда вы видите связь между двумя неметаллами, это ковалентная связь. Что касается ионной связи, какие элементы мы ищем в ионной связи? Ага. Металл с неметаллом. Прохладный. Последний тип, металлическое соединение, мы не будем много говорить о металлическом соединении, но в случае металлического соединения вы увидите в значительной степени металл в металле.А может быть, все это просто чистый металл. Тебе известно. Если у меня есть чистое железо, чистое железо, у вас есть тонны и тонны атомов железа. А атомы железа связаны металлическими связями. Теперь одно, что я скажу о металлических соединениях, — это то, что у металлических соединений есть ряд свойств, которые вы хотите знать. И в этом случае это не совсем так, мы не можем назвать это просто разделением электронов или мы не можем назвать это переносом электронов. Но есть кое-что, что мы можем сделать, чтобы это описать.И мы называем это морем электронов. Таким образом, оказывается, что валентные электроны в металлах не удерживаются никем или каким-либо видом, ну вы знаете, каким-либо конкретным ядром, причем так сильно. И поэтому они наполнены морем слабо удерживаемых электронов. Именно это делает металлы электропроводными. Итак, некоторые вещи, которые мы должны знать, металлы являются проводящими и электропроводными, а также очень хорошо проводят тепло. Так что еще. В любом случае вспомните другие свойства металлов, о которых следует помнить? Блестящий.Но какое слово мы используем? Хороший. Такие блестящие, или с ними ассоциируется блеск. Что еще? Так что … не все из них. Но многие металлы, например щелочные, легко окисляются. Но не общее свойство всех металлов. Их также можно растолочь в листы. Кто-нибудь это помнит? Податливый. И они также могут образовывать провода, мы говорим, что их очень хорошо втягивают в провода. Начинается с D. Ductile. Так круто! Так что да, их можно втянуть в тонкую проволоку, вот что значит пластичность. Таким образом, пластичность означает, что металлы можно измельчать в листы.Блеск означает, что они обычно блестящие, проводящие как электричество, так и тепло. Но это общие свойства, которые мы связываем с металлами, и вы просто хотите это запомнить. Ах да, эти четыре свойства, да, это то, о чем мы говорим с металлами. Тогда как если мы посмотрим на свойства, о которых мы говорим для ионных и ковалентных соединений. Итак, если мы смотрим на ионные соединения, ионные соединения, мы обычно смотрим на сверхвысокие, не всегда, но довольно высокие температуры плавления и кипения для ионных соединений.Пробовали ли вы когда-нибудь растопить соль? Мол, не растворяется в воде, я имею в виду, как прямо растопить. Ага. Удачи. Как будто вы пытаетесь и просто насыпаете чистую соль в кастрюлю на плите. Печь недостаточно нагревается, чтобы ее расплавить, это сверхвысокая температура плавления. Соль из скважины представляет собой ионное соединение, а ионные соединения обычно имеют высокие температуры плавления и кипения. Так что они, как правило, довольно хрупкие. Обычно довольно хрупкий. Если вы посмотрите на типичное ионное соединение, у вас есть катионы рядом с анионами, рядом с катионами, рядом с анионами, рядом с катионами.И затем в следующем слое у вас будет анион рядом с катионом, рядом с анионом, рядом с катионом, рядом с анионом, и они чередуются. Итак, если вы посмотрите, катион всегда будет окружен анионами. Анион всегда будет окружен катионами. И поэтому все любят своих соседей. Обожаю всех своих соседей! Все они меня привлекают. Однако, если бы вам хотелось ударить молотком по большому соляному блоку, что же произойдет? Он не растворится. Это хрупкое. Но он просто разобьется, верно? Возьмите большой кристалл соли, такой как те, которые вы получаете для солонцов и лошадей, и ударите по нему кувалдой, и он разлетится на миллион осколков.Причина в том, что они хрупкие. Причина, по которой они хрупкие, заключается в том, что когда вы ударяете по нему молотком, вы вызываете стресс, и слои могут сместиться. Итак, обратите внимание, если эти слои немного сместятся; Я собираюсь немного сместить этот средний слой. Я не собираюсь рисовать здесь третий слой, но, хотя если бы я сместил верхний слой со среднего слоя, как теперь эти два слоя ощущают друг друга? Хороший. Этому не нравятся, они не любят друг друга! И вы видите разделение.Вот почему, когда вы ударяете по нему, вы также получаете хорошие чистые области, где соль трескается и тому подобное, потому что это был целый слой на всем протяжении линии, где они отталкивались друг от друга, и он ломался. Прохладный. Но именно поэтому соединения обычно бристоло-хрупкие. Любое напряжение, как молоток, вносит небольшие сдвиги в слои. Прохладный. Теперь ковалентные соединения; мы получили два типа ковалентных соединений. Молекулярные — это, безусловно, самый распространенный и другой тип, который мы назовем сетевыми ковалентными твердыми телами.Мы обычно думаем об ионных соединениях как об образующихся кристаллах. В то время как, вы знаете, большинство ковалентных соединений, молекулярных, мы обычно не думаем о них такими большими, как кристаллы, которые вы знаете. По крайней мере, не при комнатной температуре. Но сетчатые ковалентные твердые тела, которые являются ковалентными соединениями, действительно существуют в виде кристаллов. Кто-нибудь назовет мне сетевое ковалентное твердое тело? Шик, шик? Бриллианты. Так из чего сделан алмаз? Чистый углерод. А углерод, будучи неметаллом, все атомы углерода связаны друг с другом ковалентными связями.Итак, он ковалентный, но он действительно образует кристалл. Кристаллическое твердое вещество. В этом случае мы называем это сетевым ковалентным телом. Другой, который вы можете увидеть, SiO2 — если я смогу написать еще раз — кварц. Итак, кремний-кислород — и кремний здесь вроде как полуметалл, металлоид — но они по-прежнему считают это ковалентной связью, поэтому в этом случае он также образует кристаллический кварц. Итак, это два ваших больших примера сетевых ковалентных твердых тел. Практически любой другой пример всех неметаллов будет молекулярным соединением, которое фактически образует молекулы.Так что заметили ионные соединения? Они не образуют молекул. Сетевые ковалентные твердые тела? Они не образуют молекул. Только молекулярные соединения образуют молекулы. Итак, если бы я сказал: «Эй, у меня есть молекула алмаза». Вы бы сказали: «Ты лжец, такого не бывает». Если бы я сказал: «У меня есть молекула хлорида натрия». Вы бы сказали: «Ты лжец, такого не бывает». Но если бы я сказал вам, что у меня есть молекула воды, ну, вода h3O, это молекула, и у меня могла бы быть молекула воды. По всей вероятности, у меня есть миллиарды, миллионы, триллионы или моль молекул воды, или какое-то огромное их количество, но это молекулярное соединение.Неметалл, неметалл. И они будут существовать в виде отдельных молекул, а не больших старых кристаллов. По крайней мере, обычно при комнатной температуре. Ваши молекулярные соединения обычно связаны с гораздо более низкими температурами плавления и кипения. И здесь достаточно сказать. Когда я говорю «ниже», это, очевидно, означает относительное. Хорошо по отношению к ионным соединениям или по отношению к сетчатым ковалентным твердым веществам. Кто-нибудь в последнее время пытался расплавить алмаз? Да, я бы не рекомендовал это в первую очередь. Но даже если вы попытаетесь, вы, вероятно, не добьетесь этого.Итак, у алмаза невероятно высокая температура плавления. Я даже не знаю, насколько высоко, это тысячи градусов. То же самое и с ионными соединениями. NaCl? Хотите растопить соль? Вроде 800 градусов по Цельсию. Удачи. Ваша плита дома туда не доберется. Кто-нибудь когда-нибудь пытался растопить лед? Да, заметьте, он уже растаял при комнатной температуре, верно? Вам нужно нагреть воду выше нуля градусов по Цельсию, и она растает. Молекулярные соединения имеют гораздо более низкие температуры плавления и кипения. Итак, и мы поговорим об этом подробнее в одной из следующих глав.Но для следующего экзамена идея состоит в том, что существуют относительно слабые силы, удерживающие вместе молекулы воды. То же самое в молекуле — в случае льда или в любом молекулярном соединении. В то время как то, что удерживает вместе атомы, в данном случае ионы, — это настоящие ионные связи. На самом деле все атомы здесь скрепляются ковалентными связями, а не слабыми силами. И поэтому, когда вы что-то плавите или варите, вы должны разрушить эти силы. Ну вот они слабые. Большой! Они легкие.Для этого нужно не так много тепла. Здесь связи действительно прочные, и для разрыва ковалентных или ионных связей требуется много энергии. Прохладный. Есть вопросы о трех различных типах соединений и характеристиках каждого из них? Прохладный. Кстати, сетевые ковалентные твердые тела? Это два ваших примера. Запомни это. Знайте, что, о да, алмаз, кварц, углерод, диоксид кремния, это два моих распространенных примера сетевых ковалентных твердых тел. Есть несколько примеров, но вы, вероятно, не увидите ни одного.Но это стоит знать. Я немного расскажу об энергии решетки. Итак, мы еще раз очень коротко поговорим об ионных соединениях. Энергия решетки связана с ионными соединениями. Но мы, вероятно, проведем после этого остаток ночи, говоря исключительно о молекулярных соединениях. Итак, энергия решетки. Таким образом, техническое определение энергии решетки, вероятно, проще всего описать с помощью химической реакции. Это касается ионных соединений, и это количество энергии, необходимое для того, чтобы взять твердое ионное соединение и разбить его на отдельные ионы.Таким образом, это мера того, насколько сильна ионная связь, удерживающая этот кристалл. Потому что для его разрушения требуется энергия. Есть одна вещь, которую я здесь не написал, и это то, о чем студенты чаще всего забывают. Это не просто разбиение на ионы, вы должны помнить фазу этих ионов. Кто-нибудь помнит? Они должны быть газообразными ионами. Таким образом, хрестоматийное определение энергии решетки — это энергия, необходимая для разрушения ионного соединения на его газообразные ионы.Так что действительно важное техническое определение. У вас может возникнуть вопрос, который просто говорит: «Что из следующего является определением энергии решетки?» Вы должны придумать правильное определение, и обычно именно газообразная часть является отличительным фактором. Или вы можете получить вопрос, который просто говорит: «Какая из следующих химических реакций описывает энергию решетки NaCl?» Ну было бы именно так. Если это сказано водным, жидким или твердым, все это неверно. Для продуктов должен быть газ.Итак, это определение энергии решетки из нашего учебника. Но вы также должны уметь сравнивать энергии решетки, и есть два фактора, которые влияют на силу энергии решетки. Итак, первое — это зарядка. И второе — размер. Что бы я искал — Значит заряд имеет более значительный эффект. Размер немного меньше или около того. И поэтому первое, что вы ищете в одном, — это разница в заряде при сравнении ионных соединений. Какой заряд мне нужен, чтобы искать в решетке с высокой энергией? Что это такое? Что ж, у нас всегда будет один положительный ион и один отрицательный ион.Но обратите внимание, что энергия решетки — это энергия, необходимая для разделения их на отдельные ионы. Таким образом, это показатель того, насколько сильны ионные связи. Как мне сделать ионные связи сильнее? Ну и заряды повыше. Заметьте, если бы у меня был положительный заряд, а у вас был отрицательный, а у меня — положительный, а он был отрицательным 5, я бы посмотрел на него и сказал: «Пш, забудь тебя, он отрицательный пять! Меня здесь привлекает большее влечение. » И так более высокие сборы. Когда я говорю «выше», я имею в виду большее по величине.Более положительный и более отрицательный как по катионам, так и по анионам. Плюс два лучше, чем плюс один. Отрицательные два лучше, чем отрицательные. Более высокие заряды приводят к более высоким энергиям решетки. Поскольку это более сильная ионная связь, для их разрыва потребуется больше энергии. И в этом случае, опять же, более высокий заряд, затем вы получаете более высокий — я просто сокращу его — Л.Э. Более высокий заряд, более высокая энергия решетки. Размер также играет здесь роль. И снова это мера, энергия решетки, силы ионной связи.Ну опять какие узы крепче? Дольше или короче? Короче. Тогда что мне нужно о размере моих ионов? Я хочу ионы поменьше. Таким образом, в этом случае ионы меньшего размера также приводят к более высокой энергии решетки. И снова, какой из них обычно оказывает более значительное влияние? Плата. Вот почему я перечислил его первым. И поэтому сравнения, которые вы можете увидеть в тесте, поэтому типичный вопрос может просто начать перечислять для вас несколько разных ионов. Я собираюсь установить здесь периодическую таблицу. Итак, если вы посмотрите, как они появляются здесь в периодической таблице.Итак, первое, на что вы захотите взглянуть, если я дам вам четыре соединения и скажу: «У какого из них самая высокая энергия решетки?» Найдите все обвинения. Какой здесь заряд у иона натрия? Плюс один. А фторид-ион? Потрясающие. Натрий действительно плюс один, верно? А что здесь с хлоридом? Минус 1 тоже. Бромид? Прохладный. А как насчет магния? А кислород? Прохладный. Основываясь только на заряде, у кого будет самая высокая энергия решетки? Потрясающие. В этом случае, если бы я спросил вас, у какого из них наибольшая энергия решетки, вы бы выбрали MgO.Теперь предположим, что я задаю вам немного другой вопрос и даю вам очень похожий набор элементов, но вместо MgO я добавляю туда иодид натрия. Итак, мы получили фторид натрия, хлорид натрия, бромид натрия, йодид натрия. Разница в цене? Да, все те же обвинения. Здесь вам нужно выбрать размер. Плюс один. Минус один. Плюс один. Минус один. Плюс один. Минус один. Плюс один. Минус один. Итак, снова для энергии решетки заряд имеет более значительное влияние. Но если все заряды для анионов и катионов одинаковы, то вам нужно перейти к размеру по умолчанию.Итак, если я снова ищу самую большую или самую высокую энергию решетки, какой размер мы ищем? Меньший размер. Какие из этих ионов наименьшего размера. NaF. Таким образом, в этом случае NaF будет иметь самую высокую энергию решетки. Прохладный. Обычно это два туза в том виде, в котором они представлены. Либо вы даете явный победитель на основе заряда, либо, если все заряды ионов одинаковы, вам нужно выбрать один на основе наименьшего размера.

Гибридизация — Репетитор по органической химии

Вы сможете загрузить видеозаметки и получить доступ к практическим вопросам, когда начнете свое членство на сайте.

Членство на сайте репетитора по органической химии

Все мы знаем из общей химии, что s-орбиталь является сферической, а p-орбитали — это орбитали, похожие на гантели, ориентированные вдоль осей x, y и z декартовой системы. Мы также знаем, что VSEPR достаточно хорошо описывает трехмерную форму элементов второго периода.

И здесь у нас есть проблема: атомные орбитали расположены под углом 90 ° друг к другу, в то время как теория VSEPR предсказывает, что трехмерная структура, скажем, метана (CH 4 ) будет тетраэдрической с валентными углами около 109.5 °. Итак, как мы можем получить валентные углы 109,5 °, образованные орбиталями, расположенными под углом 90 ° друг к другу? 🤯🤷‍♂️🤔

В 1931 году дважды лауреат Нобелевской премии Линус Полинг предложил модель «смешивания» орбиталей или «гибридизации» их для объяснения наблюдаемого паттерна связи. Полинг предложил своего рода комбинацию орбиталей, дающую вам орбиталь с частичными характеристиками. Не полная s- или p-орбиталь, а что-то с частичным s- и частичным p-характером.

Позвольте мне еще раз подчеркнуть, что гибридизация — это математическая модель .Нет никакого реального «процесса», происходящего с орбиталями, вызывающего гибридизацию. Атомные орбитали фактически не изменяются до того, как вступят в связь с другими атомами. Гибридизация — это математическая модель, которая описывает, как атомные орбитали выглядели бы на основе наблюдаемых молекулярных орбиталей.

Формирование гибридных орбиталей

Хорошо, теперь, когда мы знаем, что гибридизация — это модель , а не реальный процесс, давайте посмотрим, как происходит этот «процесс».🤣 Для завершения каждой связи требуется 2 электрона. Если мы посмотрим на атомные орбитали атома углерода, мы увидим 2 электрона на 2s и 2 электрона на 2p-оболочках. Это позволило бы углероду образовывать только 2 связи, поскольку у него всего 2 неспаренных электрона. Чтобы образовать четыре связи, углерод должен «отделить» свои s-электроны от p-оболочки.

Подобная перегруппировка электронов в атоме также сближает орбитали по энергии, делая их практически вырожденными. Это позволяет упростить «смешивание» или гибридизацию в том виде, в каком мы ее знаем.Таким образом, когда мы смешиваем эти орбитали вместе, мы получаем набор «гибридов» и любые остатки, которые не были гибридизированы.

Важно помнить: количество АО = количество МО. Итак, когда мы смешиваем атомные орбитали для получения гибридов, мы получим точно такое же количество орбиталей, когда закончим. Таким образом, смешивая 4 орбитали (одну s и три p), мы всегда получим 4 молекулярные орбитали (гибриды или нет).

sp

3 Гибридизация

Смешивание s-орбитали и трех p-орбиталей дает четыре sp. 3 орбиталей.

В результате четыре гибридных sp 3 орбиталей вырождены по энергии, что означает, что все они одинаковы. Кроме того, согласно теории VSEPR, эти орбитали должны быть как можно более симметричными относительно друг друга. Это дает тетраэдрическую структуру с валентными углами около 109,5 °.

Когда эти гибридные орбитали образуют связи, мы получаем молекулярные орбитали, ориентированные в одном направлении. Итак, как я упоминал ранее, хотя гибридизация и гибридные орбитали могут быть математической моделью, она действительно помогает нам предсказать и проиллюстрировать реальные молекулярные орбитали в молекуле.Кстати, теория молекулярных орбиталей (МОЛ) также является математической моделью. 🤣 Тем не менее, мы можем выполнять расчеты с использованием МОЛ для предсказания электронной плотности вокруг молекулы, соответствующей реальным физическим наблюдениям.

sp

2 Гибридизация

Когда мы смешиваем одну s-орбиталь и две p-орбитали, мы получаем три sp 2 гибридизированных орбиталей. У вас также будет одна оставшаяся p-орбиталь, которая не участвовала в гибридизации.

Эта гибридизация дает вам тригональную плоскую геометрию вокруг центрального атома с р-орбиталью, торчащей в вертикальном направлении вверх и вниз.

«Неиспользуемая» p-орбиталь может образовывать π-связь или участвовать в сложном резонансном сопряжении.

sp Гибридизация

В случае sp-гибридизации только одна s- и одна p-орбиталь смешиваются вместе с образованием гибридов. Остается две неиспользуемых p-орбитали.

Неиспользуемые sp-орбитали вынуждают структуру иметь линейную трехмерную геометрию.

Неиспользуемые p-орбитали могут образовывать две двойные связи, тройную связь или потенциально участвовать в резонансе с другими орбиталями.

Как определить гибридизацию?

Самый простой способ определить гибридизацию — это использовать теорию VSEPR и определить количество электронных групп вокруг вашего центрального атома. Проще говоря, я могу резюмировать гибридизации на следующем рисунке:

Итак, 3 группы вокруг центрального атома дают гибридизацию sp 3 , три группы дают гибридизацию sp 2 , а две группы дают sp-гибридизацию. Также помните, что мы также считаем запасные электронные пары как электронные группы!

Если электронная пара не находится рядом с двойной или тройной связью (или пустой p-орбиталью), электронная пара будет находиться на гибридной орбитали, а не на p-орбитали.Хотя на самом деле это не на 100% верно, мы относимся к этому так же в рамках обычного урока органической химии, поэтому мы тоже будем придерживаться этого.

Гибридизация атомов с электронными парами рядом с двойными или тройными связями

Я уже упоминал выше, что двойная или тройная связь рядом с электронной парой имеет значение. Когда у вас есть электронная пара рядом с p-орбиталью или π-связью, между ними возникает резонанс.

Это очень типичный «вопрос с подвохом» на экзамене, поэтому не забывайте об этом.Также важно помнить, что для этого электронная пара должна быть физически способной выровняться с p-орбиталью или π-связью. Таким образом, изолированные электронные пары все равно будут сидеть на гибридных орбиталях, даже если они находятся рядом с двойными связями.

Обнаружение изолированных электронных пар может быть немного сложным, поэтому вы можете попрактиковаться, чтобы овладеть этим навыком. Есть простое практическое правило, которое вы можете использовать. Если у вас есть электронная пара на атоме, который уже имеет двойную связь, скорее всего, она будет изолирована.Это не стопроцентно надежный трюк, но он работает для циклических структур.

Вы готовы ответить на несколько практических вопросов?

Не гибридизация углерода s – p, а координационное число определяет длину связи C − H и C − C — Vermeeren — 2021 — Химия — Европейский журнал

Геометрические свойства органических (и неорганических) молекул, как правило, объясняются с использованием теория гибридизации, которая была введена Линусом Полингом в 1931 году. 1, 2 Речь идет о фундаментальном и повсеместном явлении в химии, когда связи C − H и C − C сжимаются при изменении вовлеченных атомов углерода, в s – p гибридизация по sp 3 к sp 2 к sp.Типичными примерами являются связи C-H и C-C в этане, этене, этине и пропане, пропене, пропине ​​соответственно. Теория гибридизации приписывает сокращение длин связей C-H и C-C вдоль sp 3 до sp 2 до sp возрастающему проценту s -характер гибридной орбитали у соответствующего углерода, как s -орбитали более сжаты к ядру, чем p -орбитали, что приводит к оптимальному перекрытию связей на более коротком межатомном расстоянии. 3, 4 Эта модель является общепринятой и встречается в большинстве учебников (физической) органической химии. 5-8

Здесь мы показываем, что указанная выше стандартная модель неверна. Путем подробного анализа квантово-химических связей в серии типичных архетипических модельных систем (рис. 1) мы смогли выявить, что вышеупомянутое сокращение в связях C − H и C − C составляет , а не , связанное с увеличением количества s -характер у атома углерода в этих связях.Вместо этого мы обнаруживаем, что уменьшающееся стерическое (Паули) отталкивание между заместителями вокруг атома углерода составляет физический механизм, лежащий в основе универсальной тенденции в молекулярной структуре, поскольку количество заместителей вокруг соответствующего атома углерода уменьшается с 4 до 3 до 2 по sp . 3 к sp 2 к sp гибридизации соответственно. Наши результаты основаны на анализе механизмов связывания C − H и C − C в систематической серии модельных систем с sp 3 -, sp 2 — и sp-гибридизированными связями C − H и C − C. в насыщенных и ненасыщенных углеводородах (рис. 1), используя количественную модель молекулярных орбиталей (МО), содержащуюся в теории функционала плотности (DFT) Кона – Шэма 9-11 в BP86 / TZ2P 12-14 в сочетании с соответствующей канонической анализ разложения энергии (EDA), реализованный в программе ADF. 15, 16 Оба наших открытия являются новыми в той степени, в которой они меняют парадигму, а также соответствующим образом согласуются с хорошо известной ролью стерического отталкивания в других контекстах молекулярной структуры, таких как стереохимическое расположение заместителей вокруг центральный атом или зависимость расстояний между связями от стерического объема вокруг рассматриваемой связи. 17-24

a) sp 3 -, sp 2 — и sp-гибридизованные связи C − H этана, этена и этина, и b) sp 3 -, sp 2 — и sp-гибридизированные Связи C − C пропана, пропена и пропина, где интересующая связь показана черным (sp 3 ), синим (sp 2 ) и красным (sp).c) Схематическая диаграмма молекулярных орбиталей образования типичной электронной парной связи R n C-X и взаимодействия с орбиталью с замкнутой оболочкой, которая приводит к (стерическому) отталкиванию Паули.

Неудивительно, что наши вычисления методом DFT воспроизводят вышеупомянутую тенденцию к сокращению длин связей C − H и C − C по мере продвижения от sp 3 к sp 2 к sp-гибридизации атома углерода, участвующего в таких связях (таблица 1). Длина связи C − H уменьшается вдоль этана (R 3 C − H, 1.099 Å), этен (R 2 C − H, 1,091 Å) и этин (RC − H, 1,070 Å), в то время как соответствующие длины одинарной связи C − C уменьшаются вдоль пропана (R 3 C − CH 3 , 1,533 Å), пропен (R 2 C-CH 3 , 1,500 Å) и пропин (RC-CH 3 , 1,456 Å). Обратите внимание, что во всех случаях укорочение связи коррелирует с укреплением связи, что отражается в увеличении энергии диссоциации связи (BDE; Δ E = −Δ E BDE ) вдоль sp 3 до sp 2 до sp гибридизация.Чтобы проанализировать происхождение тенденции в прочности связи более подробно, мы разложим энергию связи Δ E в соответствии с моделью активационной деформации (ASM) реакционной способности [уравнение. 1]: 25-28 (1) Таблица 1. Длины связей (в Å) и анализ энергетического разложения (в ккал-моль -1 ) sp 3 -, sp 2 — и sp-гибридизованных связей C − H и C − C в их равновесных геометриях. [а]

Система [b]

Длина скрепления

Δ E

Δ E деформация

Δ E внутренний

Δ E Паули

Δ V elstat

Δ E или

этан

R 3 C − H

sp 3

1.099

−106,8

7,2

−114,0

90,2

−62,8

−141,4

этен

R 2 C − H

sp 2

1.091

−115,8

3,1

−118,9

85,4

−60,1

−144,1

этин

RC − H

SP

1.070

-140,0

0,1

-140,1

40,4

−41,3

−139,1

пропан

R 3 C − CH 3

sp 3

1.533

−89,3

18,3

−107,6

215,0

−138,9

−183.7

пропен

R 2 C − CH 3

sp 2

1,500

−102,2

13.3

−115,5

221,4

−142,8

−194,2

пропин

RC − CH 3

SP

1.456

-130,7

8,7

−139,4

171,2

−121,9

−188.8

  • [a] Вычислено на уровне теории BP86 / TZ2P. [b] R 3 C- = (H 3 C) H 2 C-; R 2 C− = (H 2 C) HC−; RC− = HCC−. См. Рисунок 1 для структур исследуемых систем.

Здесь энергия деформации Δ E деформация — это штраф, который необходимо заплатить за деформацию фрагментов от их равновесной структуры до геометрии, которую они принимают при равновесии C − X (X = H, CH 3 ) длина облигации.С другой стороны, энергия взаимодействия Δ E int учитывает все взаимные взаимодействия, которые происходят между деформированными фрагментами.

Во всех случаях величина и тенденция энергий диссоциации связей C − H и C − C, по-видимому, определяются энергиями взаимодействия Δ E int . Энергия деформации Δ E деформация имеет лишь небольшое влияние на расчетную энергию связи Δ E и не влияет на общую тенденцию относительной прочности связи.Они происходят из того факта, что при образовании новой связи C-H или C-C другие заместители вокруг атома углерода, участвующие в новой связи, отгибаются, чтобы уменьшить в противном случае еще более дестабилизирующее стерическое (Паули) отталкивание. . Этот дестабилизирующий эффект более выражен, когда вокруг углерода находится больше заместителей. Таким образом, штамм Δ E является наиболее дестабилизирующим для этана (R 3 C-H) и пропана (R 3 C-CH 3 ), в которых по существу плоский R 3 C .Радикал подвергается пирамидализации. 29 Геометрические деформации стерически менее скученного R 2 C . и RC . радикальных фрагментов, например, в этене (R 2 C-H) и этине (RC-H) менее опасны и, следовательно, приводят к более низким энергиям деформации.

Чтобы точно определить различия между энергиями взаимодействия, мы очень подробно проанализировали различные связи C − H и C − C, разложив Δ E int на три физически значимых члена с помощью канонического анализа разложения энергии (EDA ) схема [Ур.2]: 9 (2)

В формуле. (2), Δ V elstat — это классическое электростатическое взаимодействие между невозмущенными распределениями заряда (деформированных) реагентов. Отталкивание Паули Δ E Паули включает дестабилизирующее взаимодействие между занятыми орбиталями из-за принципа исключения Паули и является превосходным описателем стерического отталкивания. Наконец, орбитальное взаимодействие Δ E или включает образование парной электронной связи между двумя однократно занятыми молекулярными орбиталями (SOMO) и орбитальную релаксацию (т.е.е., перенос заряда и поляризация).

Обратите внимание, что разложенные члены энергии взаимодействия, изображенные в таблице 1, сильно зависят от расстояния связи C-H и C-C. Следовательно, различия между этими энергетическими членами в ряду гибридизации следует интерпретировать с особой осторожностью, потому что они возникают не только из-за первоначального изменения внутренних свойств связывания, но также из-за сопутствующей геометрической релаксации, которая влияет на исходные тенденции. 25, 26 Для того, чтобы сосредоточиться исключительно на тенденции внутренних связывающих свойств наших модельных систем, мы разложили энергию взаимодействия: (i) как функцию расстояния связи C − H и C − C; при этом (ii) сохраняя R n C . и H . или CH 3 . фрагментов зафиксированы в равновесной геометрии и валентно-электронной конфигурации всей системы, то есть R n C − H и R n C − CH 3 (n = 1,2,3).Первый обеспечивает последовательное сравнение членов энергии на любом расстоянии связи, тогда как последний предотвращает любую другую геометрическую релаксацию внутри фрагментов, чтобы замаскировать первичные изменения в членах энергии. Обратите внимание, что эта мера гарантирует, что ни один из основных эффектов в членах энергии взаимодействия не будет поглощен в члене деформации, который остается постоянным.

Прежде чем обсуждать разложенные члены энергии взаимодействия как функцию длины связи, мы сначала исследуем интегралы перекрытия орбит, соответствующие связям электронных пар C − H и C − C (рис. 2 a и b; см. Рис. 1 c для диаграмма молекулярных орбиталей).Чем больше перекрытие между SOMO двух фрагментов, тем больше стабилизируется соответствующее орбитальное взаимодействие электронных пар. 30 Таким образом, точка, в которой перекрытие SOMO – SOMO достигает максимума, часто рассматривается как важный фактор при определении длины равновесной связи. 1, 2 Эти максимумы следуют той же тенденции, что и сами длины равновесных связей, то есть по мере приближения фрагментов друг к другу перекрытие SOMO – SOMO достигает своего максимума раньше, на более длинном расстоянии связи, в случае sp 3 -гибридизированный R 3 C ., чем для SP 2 -гибридизированный R 2 C . , чем у sp-гибридизированного RC . . Это наблюдение хорошо согласуется с пространственной протяженностью различных гибридизированных SOMO, которая, в соответствии с текущим обоснованием, неуклонно уменьшается от sp 3 -гибридизированного R 3 C . к sp-гибридизированному RC . (рисунок 2 c), другими словами, SOMO R 3 C . находится ближе к серой вертикальной линии, чем SOMO RC .Это также можно увидеть в увеличенном масштабе Рисунка 2d: если приблизиться к ядру углерода из бесконечности, орбитальная функция R 3 C . достигает значения 0,05 а.е. раньше, т.е. дальше от ядра углерода, по сравнению с R 2 C . и RC . аналогов. Кроме того, R 3 C . также имеет меньшую орбитальную амплитуду вблизи ядра углерода по сравнению с R 2 C . и RC . (рисунок 2 d), что приводит к меньшему перекрытию орбит для первого, как показано на рисунках 2 a и 2b.

SOMO-SOMO перекрывает ( S ) различных гибридизированных связей a) C-H и b) C-C, где максимальное орбитальное перекрытие обозначено точкой, а длина равновесной связи обозначена вертикальной линией. c) Контурные графики различных гибридизированных SOMO, где серая вертикальная линия указывает максимальную пространственную протяженность sp 3 -гибридизированных SOMO. Все изолинии содержат 25 контуров от 0,05–0,5 а.е. d) Орбитальная функция гибридизированных SOMO вдоль исследуемой связи C-H (горизонтальная пунктирная серая линия на рисунке 2 c), где длины равновесных связей C-H обозначены вертикальной линией, и увеличение орбитальной функции на максимальная пространственная протяженность SOMO на Рисунке 2 c.

Обратите внимание, однако, на два поразительных явления: (i) все равновесные связи C − H и C − C значительно отличаются от расстояния, на котором связи перекрываются, достигают своего максимума, связи C − H фактически все длиннее; и (ii) сжатие связей C-H, а также C-C, при изменении вовлеченных атомов углерода при s-p-гибридизации вдоль sp 3 до sp 2 и sp, значительно меньше, чем вариация на расстоянии, на котором соответствующие скрепления достигают своего максимума (см. вертикальные линии и точки на рисунках 2 а и б).Таким образом, несмотря на то, что положения максимального перекрытия SOMO-SOMO демонстрируют ожидаемые тенденции, другие физические механизмы имеют решающее значение для достижения фактических равновесных расстояний между связями.

Наш анализ разложения энергии в зависимости от расстояния C − X (X = H, CH 3 ) показывает, что, в отличие от современных знаний из учебников, орбитальные взаимодействия Δ E или не являются ответственными. для более сильной и короткой sp-гибридизированной связи C-H и C-C (рис. 3 а и б).Энергия взаимодействия Δ E int следует тенденции, обсужденной ранее, то есть связи, включающие sp 3 -гибридизованные атомы углерода, более слабые и имеют менее стабилизирующую Δ E int , чем их sp-гибридизированные аналоги. Поразительно, но орбитальные взаимодействия Δ E или показывают противоположное поведение: от sp 3 — к sp 2 — к sp-гибридизированному атому углерода в связях C − X, Δ E Кривые становятся убывающе, стабилизируются, хотя разница между гибридизацией sp 3 и sp 2 является лишь незначительной.Эта тенденция проистекает из уменьшающегося вклада орбитальной релаксации, которая ослабляет отталкивание Паули, особенно на более коротких расстояниях C-X, на которых отталкивание закрытая оболочка-закрытая оболочка становится очень большим. Таким образом, если бы только орбитальные взаимодействия, связи C-X стали бы длиннее, а не короче, вдоль sp 3 , sp 2 и sp-гибридизации атома углерода. 31 Электростатическое притяжение Δ V elstat следует той же тенденции вдоль ряда, что и Δ E oi , т.е.е. кривые становятся все менее стабилизирующими и пологими вдоль sp 3 , sp 2 и sp и, следовательно, также способствуют удлинению расстояния связи C − X вдоль этого ряда.

Анализ энергетического разложения а) связей C − H и б) C − C. c) sp 3 -гибридизованных связей C − H с увеличивающимся числом объемных заместителей и d) sp 3 -гибридизированных связей C − H с уменьшающимся числом заместителей, где длины равновесных связей обозначены вертикальной линия.

Теперь мы идентифицируем Δ E Pauli как решающий фактор при определении длины равновесной связи, потому что единственное различие между sp 3 — и sp 2 -гибридизованными связями C − X заключается в этом отталкивающем члене, который для последнего менее дестабилизирует. Это различие позволяет фрагментам ближе подходить друг к другу, что приводит к более коротким расстояниям связи. Продолжая связь с sp-гибридизированным атомом углерода, наблюдается очень большое падение отталкивания Паули Δ E Pauli .Этот эффект частично компенсирует ослабление Δ E или и, особенно для C-C, также Δ V elstat . Следовательно, именно изменение Δ E Pauli определяет более длинные длины связи в sp 3 -гибридизованных связях C − H и C − C по сравнению с их sp 2 — и sp-гибридизированными аналогами. Напомним, что это явление также отображается в терминах EDA, соответствующих равновесным геометриям (таблица 1). Как показано, сильно дестабилизирующий Δ E Pauli вызывает удлинение связи C-X, что, в свою очередь, уменьшает все члены EDA, включая Δ E Pauli .Тем не менее, Δ E Pauli более длинной sp 3 -гибридизированной связи C − X является более дестабилизирующим, чем менее гибридизированные аналоги, что указывает на то, что именно этот термин определяет наблюдаемое удлинение связи C − X.

Связь между отталкиванием Паули и количеством стерически затрудняющих заместителей становится еще более очевидной, когда в численных экспериментах мы явно меняем размер и количество заместителей (см. Таблицу S1).Увеличение размера заместителя приводит к более длинной sp 3 -гибридизированной связи C − H (Рисунок 3 c; H 3 C − H: 1,096 Å до (H 3 C) 3 C − H: 1,104 Å) , тогда как уменьшение числа заместителей делает эту связь короче (Рисунок 3 d; H 3 C-H: от 1,096 Å до HC .. -H: 1,085 Å). Изучение соответствующих графиков энергии показывает, что модуляция длины равновесной связи и, следовательно, прочности связи снова вызывается Δ E Pauli .Напротив, Δ V elstat и Δ E oi не сильно различаются по серии. Точнее, они противодействуют наблюдаемой тенденции в Δ E int .

Важно отметить, что наш анализ также пролил свет на природу, особенно орбитальную энергию, σ * -орбитали sp n -гибридизованных R n связей C − X (n = 3, 2, 1; X = H, алкил, галоген и т. Д.), Что имеет прямое отношение к пониманию различных типов реакций и супрамолекулярных агрегатов, содержащих эти связи. 32-34 Мы обнаружили, что σ * -орбиталь связей R n C − X становится все более стабильной при переходе от sp 3 к sp 2 к центрам углерода sp, опять же, из-за уменьшения в количестве заместителей вокруг соответствующего атома углерода. Энергия σ * -орбитали sp n -гибридизованной связи R n C − H понижается по энергии вдоль n = 3, 2, 1 с 1,7 эВ для R 3 C − H до 1,4 эВ для R 2 C − H до 1,0 эВ для RC − H соответственно, потому что R n C . СОМО постепенно стабилизируется. Такое поведение можно приписать двум явлениям: (i) R n C . SOMO представляет собой R n -C 2 s антисвязывание, которое уменьшается по мере того, как R n уменьшается с n = 3 до 2 до 1 из-за меньшего перекрытия орбит; (ii) R n C . SOMO также представляет собой соединение R n -C 2 p , и его связывающая способность, то есть орбитальное перекрытие, становится сильнее, поскольку R n может лучше совмещаться с C 2 p вдоль этой серии (см. Дополнительная информация (обсуждение 1 и рисунок S1 для подробного анализа молекулярных орбиталей).

В заключение мы показали, что, в отличие от современной парадигмы, сокращение длин связей C − H и C − C при переходе от sp 3 к sp 2 к центрам углерода sp происходит из уменьшенное отталкивание Паули, величина которого напрямую связана со стерической близостью между заместителями вокруг соответствующего атома углерода. Орбитальное взаимодействие, которое до этого момента рассматривалось как движущая сила, демонстрирует поведение, которое противодействует наблюдаемой тенденции прочности связи и, следовательно, не несет ответственности за уменьшение длины связи.

Благодарности

Мы благодарим Нидерландскую организацию научных исследований (NWO) и Голландскую сеть астрохимиков (DAN) за финансовую поддержку.

    Конфликт интересов

    Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

    Не гибридизация углерода s-p, а координационное число определяет длину связи C-H и C-C

    .2021 26 апреля; 27 (24): 7074-7079. DOI: 10.1002 / chem.202004653. Epub 2021 3 марта.

    Принадлежности Расширять

    Принадлежности

    • 1 Отдел теоретической химии, Амстердамский институт молекулярных наук и наук о жизни (AIMMS), Амстердамский центр многомасштабного моделирования (ACMM), Vrije Universiteit Amsterdam, De Boelelaan 1083, 1081 HV, Амстердам, Нидерланды.
    • 2 Лейденский институт химии, лаборатории Горлеуса, Лейденский университет, Einsteinweg 55, 2333 CC, Лейден, Нидерланды.
    • 3 Институт молекул и материалов (IMM), Университет Радбауд, Heyendaalseweg 135, 6525 AJ, Неймеген, Нидерланды.
    Бесплатная статья PMC

    Элемент в буфере обмена

    Паскаль Вермерен и др.Химия. .

    Бесплатная статья PMC Показать детали Показать варианты

    Показать варианты

    Формат АннотацияPubMedPMID

    .2021 26 апреля; 27 (24): 7074-7079. DOI: 10.1002 / chem.202004653. Epub 2021 3 марта.

    Принадлежности

    • 1 Отдел теоретической химии, Амстердамский институт молекулярных наук и наук о жизни (AIMMS), Амстердамский центр многомасштабного моделирования (ACMM), Vrije Universiteit Amsterdam, De Boelelaan 1083, 1081 HV, Амстердам, Нидерланды.
    • 2 Лейденский институт химии, лаборатории Горлеуса, Лейденский университет, Einsteinweg 55, 2333 CC, Лейден, Нидерланды.
    • 3 Институт молекул и материалов (IMM), Университет Радбауд, Heyendaalseweg 135, 6525 AJ, Неймеген, Нидерланды.

    Элемент в буфере обмена

    Полнотекстовые ссылки Опции CiteDisplay

    Показать варианты

    Формат АннотацияPubMedPMID

    Абстрактный

    Фундаментальным и повсеместным явлением в химии является сжатие как связей C-H, так и C-C, когда задействованные атомы углерода меняются при s-p-гибридизации вдоль sp 3 до sp 2 до sp.Наш квантово-химический анализ связи, основанный на теории молекулярных орбиталей Кона-Шэма, показывает, что общепринятое объяснение этой тенденции неверно. Изучение молекулярных орбиталей и их соответствующих перекрытий орбиталей показывает, что вышеупомянутое сокращение в связях C-H и C-C не определяется увеличением количества s-символа у атома углерода в этих связях. Вместо этого мы устанавливаем, что эта структурная тенденция вызвана уменьшением стерического (Паули) отталкивания между заместителями вокруг соответствующего атома углерода, поскольку координационное число уменьшается вдоль sp 3 до sp 2 до sp.

    Ключевые слова: Отталкивание Паули; активационная деформационная модель; анализ склеивания; расчеты функционала плотности; теория гибридизации.

    © 2021 Авторы. Химия — Европейский журнал, издаваемый Wiley-VCH GmbH.

    Заявление о конфликте интересов

    Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

    Цифры

    Рисунок 1

    а) sp 3 -, sp 2 — и sp-гибридизированные связи C − H этана,…

    Рисунок 1

    a) sp 3 -, sp 2 — и sp-гибридизированные связи C − H этана, этена и этина, и b) sp 3 -, sp 2 — и sp-гибридизованные Связи C − C пропана, пропена и пропина, где интересующая связь показана черным (sp 3 ), синим (sp 2 ) и красным (sp).c) Схематическая диаграмма молекулярных орбиталей образования типичной электронной парной связи R n C-X и взаимодействия с орбиталью с замкнутой оболочкой, которая приводит к (стерическому) отталкиванию Паули.

    Рисунок 2

    СОМО ‐ СОМО перекрытия ( S )…

    Рисунок 2

    SOMO-SOMO перекрывает ( S ) различных гибридизованных a) C − H и b) C − C…

    фигура 2

    SOMO-SOMO перекрывает ( S ) различных гибридизированных связей a) C − H и b) C − C, где максимальное орбитальное перекрытие указано точкой, а длина равновесной связи указана вертикальной линией.c) Контурные графики различных гибридизированных SOMO, где серая вертикальная линия указывает максимальную пространственную протяженность sp 3 -гибридизированных SOMO. Все изолинии содержат 25 контуров от 0,05–0,5 а.е. d) Орбитальная функция гибридизированных SOMO вдоль исследуемой связи C-H (горизонтальная пунктирная серая линия на рисунке 2 c), где длины равновесных связей C-H обозначены вертикальной линией, и увеличение орбитальной функции на максимальная пространственная протяженность SOMO на Рисунке 2 c.

    Рисунок 3

    Анализ энергетического разложения а)…

    Рисунок 3

    Анализ энергетического разложения а) связей C − H и б) C − C. в) сп 3…

    Рисунок 3

    Анализ энергетического разложения а) связей C − H и б) C − C.c) sp 3 -гибридизованные связи C − H с увеличивающимся числом объемных заместителей и d) sp 3 -гибридизированные связи C − H с уменьшающимся числом заместителей, где длины равновесных связей обозначены вертикальной линия.

    Похожие статьи

    • Короткая связь N [связь] F в N (2) F (+) и то, как отталкивание Паули влияет на длину связи.Теоретическое исследование N (2) X (+), NF (3) X (+) и NH (3) X (+) (X [двойная связь] F, H).

      Bickelhaupt FM, DeKock RL, Baerends EJ. Bickelhaupt FM, et al. J Am Chem Soc. 2002 20 февраля; 124 (7): 1500-5. DOI: 10.1021 / ja0117837. J Am Chem Soc. 2002 г. PMID: 11841321

    • Пересмотр природы химической связи: анализ распределения энергии неполярных связей.

      Ковач А., Эстерхайзен К., Френкинг Г.Ковач А. и др. Химия. 2005 4 марта; 11 (6): 1813-25. DOI: 10.1002 / chem.200400525. Химия. 2005 г. PMID: 15672434

    • Орбитальное перекрытие и химическая связь.

      Крапп А., Бикельхаупт FM, Френкинг Г. Крапп А. и др. Химия. 13 декабря 2006; 12 (36): 9196-216. DOI: 10.1002 / chem.200600564. Химия. 2006 г. PMID: 17024702

    • Карбоксилирование С-Н-связи диоксидом углерода.

      Хун Дж., Ли М., Чжан Дж., Сунь Б., Мо Ф. Хонг Дж. И др. ChemSusChem. 2019 10 января; 12 (1): 6-39. DOI: 10.1002 / cssc.201802012. Epub 2019 2 января. ChemSusChem. 2019. PMID: 30381905 Рассмотрение.

    • Каталитическое алкилирование неактивированных связей C (sp 3 ) -H для образования связи C (sp 3 ) -C (sp 3 ).

      Chen Z, Rong MY, Nie J, Zhu XF, Shi BF, Ma JA.Чен З. и др. Chem Soc Rev.16 сентября 2019 г .; 48 (18): 4921-4942. DOI: 10.1039 / c9cs00086k. Chem Soc Rev.2019. PMID: 31403147 Рассмотрение.

    использованная литература

      1. Полинг Л., Дж. Ам. Chem. Soc. 1931, 53, 1367.
      1. Полинг Л., Общая химия, В. Х. Фриман, Сан-Франциско, 1970.
      1. Полинг Л., Спринголл Х. Д., Палмер К. Дж., J. Am. Chem. Soc. 1939, 61, 927.
      1. Бент Х. А., Chem. Ред.1961, 61, 275.
      1. Кэри Ф.А., Сандберг Р. Дж., Продвинутая органическая химия, Спрингер, Нью-Йорк, 2007.

    Показать все 34 ссылки

    LinkOut — дополнительные ресурсы

    • Источники полных текстов

    • Другие источники литературы

    [Икс]

    цитировать

    Копировать

    Формат: AMA APA ГНД NLM

    .

Author: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *