40. Будова атома Карбону.

Положення Карбону у Періодичній системі елементів Д.І.Менделєєва обумовлює унікальні властивості цього елементу. Це єдиний елемент, у якого на зовнішньому електронному шарі кількість електронів дорівнює кількості орбіталей. Він може утворювати довгі і міцні карбонові ланцюги, утворювати подвійні і потрійні зв’язки як з другим атомом Карбону, так і з атомами інших елементів. Карбон утворює молекули різноманітної геометрії. В своїх сполуках Карбон знаходиться у збудженому стані:

При утворенні хімічних зв’язків електрони мають невизначену орієнтацію своїх спінів. Переорієнтація спінів також потребує значної затрати енергії. Атом Карбону в сполуках може бути нейтральним, або мати заряд:

Електрони атому С, що розміщені на зовнішньому електронному рівні (валентні електрони), знаходяться на різних орбіталях (S- іP-).Орбіталь – ділянка простору, в якій на 95% проявляються властивості даного електрону.Л.Полінг і Ж.Слейтер, які увели в науку поняття «гібридизації» валентних орбіталей. SP³- гібридизація (І валентний стан карбону) – тетраедрична;SP²- гібридизація (ІІ валентний стан карбону) – тригональна;SP – гібридизація (ІІІ валентний стан карбону) – діагональна (лінійна). Найбільш високий запас внутрішньої енергії карбон має в стані SP³-гібридизації. Вихідним моментом для визначення типу гібридизації є просторова будова молекули (але не навпаки!) Ковалентні зв’язки утворюються внаслідок взаємодії орбіталей двох атомів при виконанні таких умов: на кожній із орбіталей розташований один електрон, причому спіни обох електронів протилежні (звичайний механізм утворення зв’язку); на одній орбіталі знаходиться пара електронів, а друга орбіталь – вакантна (донорно-акцепторний механізм утворення зв’язку). При утворенні ковалентного зв’язку виділяється певна кількість енергії. В теорії МО-ЛКАО міцність ковалентного зв’язку визначається ступенем взаємного перекривання орбіталей відповідних атомів. Чим більша ділянка перекриття, тим більше енергії виділяється і тим міцнішим буде зв’язок, що утворюється. Розрізняють два принципово відмінних один від одного типи ковалентного зв’язку:

Квантово-механічне пояснення природи кратних зв’язків було дано в 1930 році Є.Хюккелем. Саме він увів у науку поняття - і - зв’язків. В залежності від валентного стану атому карбону він утворює різні за фізичними властивостями ковалентні хімічні зв’язки.

41. Природа хімічних зв'язків.

Рушійною силою утворення хімічного зв’язку є прагнення ізольованих атомів до виграшу в енергії, який досягається при їх об’єднанні в систему; стійкість системи забезпечується виникненням області підвищеної густини негативного електричного заряду в між’ядерному просторі, яка притягує до себе позитивно заряджені ядра атомів.

При утворенні хімічного зв’язку найважливішими є електрони зовнішнього шару, тобто валентні електрони, які утримуються ядром найменш міцно. Будова електронної конфігурації атомів є визначальним чинником при утворенні хімічного зв’язку.

Зв’язок атомів за допомогою спільних електронних пар називається ковалентний зв’язок. (Ковалентний неполярний – спільна електронна утворена між атомами з однаковою електронегативністю і не зміщується. Ковалентний полярний– спільна електронна пара зміщується в бік більш електронегативного атома).Зміна полярності зв’язку молекули внаслідок зміщення електронної густини під дією зовнішнього електричного поля іншої молекули називається поляризованість.

Спільна електронна пара, належить обом хімічно сполученим атомам, оскільки перебування двох електронів у полі дії двох ядер енергетично вигідніше, ніж знаходження кожного електрона у полі свого ядра. Однак виникнення спільної електронної пари зв’язку може проходити за різними механізмами: частіше – за обмінним, а інколи – за донорно-акцепторним.

Обмінний механізм утворення ковалентного зв’язку полягає в тому, що кожний із взаємодіючих атомів постачає на утворення спільних двохелектронних хмар однакову кількість електронів з антипаралельними спінами

Механізм утворення ковалентного зв’язку за рахунок двохелектронної хмари одного атома та вакантної орбіталі іншого називається донорно-акцепторним.

Частинка, яка надає для утворення зв’язку двохелектронну хмару (неподілену пару електронів), називається донор, а частинка з вільною орбіталлю, яка приймає цю електронну пару, – акцептор. 

Сигма-зв’язок (σ-зв’язок) – це таке перекривання електронних орбіталей, при якому максимальна електронна густина концентрується у між’ядерному просторі вздовж вісі зв’язку. Ознакою сигма-зв’язку є наявність однієї області перекривання, зосередженої між ядрами хімічно сполучених атомів

Пі-зв’язок – це перекривання електронних орбіталей, при якому максимальна електронна густина концентрується з обох боків від умовної вісі, що з’єднує ядра атомів.π-зв’язок відрізняєється боковим перекриванням валентних орбіталей

• σ-Зв’язок міцніший порівняно з π-зв’язком,

• σ-Зв’язок сприяє можливості внутрішньо-молекулярного обертання атомів без розриву зв’язку, а π-зв’язок такого обертання не допускає (без розриву зв’язку);

• Електрони при π-перекриванні, мають більшу рухливість, ніж σ-електрони, тому π-зв’язок здатний сильно деформуватися під впливом зовнішнього силового поля.

Дипольний момент утворюється за рахунок зміщення центрів позитивного і негативного зарядів на деяку величину l, звану довжиною диполя.

Не слід плутати дипольний момент зв'язку і дипольний момент молекули, так як в молекулі можуть існувати декілька зв'язків, дипольні моменти яких підсумовуються як вектори. На величину дипольного моменту молекули можуть впливати магнітні поля орбіталей, що містять електронну пару, - "неподілені" електрони . Великий вплив на полярність молекули надає її симетрія.