Практическое задание

Атомы в большинстве молекул прочно удерживаются вместе благодаря действию так называемых ковалентных связей, и имеющих очень важное значение; для этого типа связи характерно то, что пара электронов, осуществляющая связь, одновременно принадлежит связываемым атомам.

Такая связь имеет настолько большое значение, так широко представлена в различных веществах, что профессор Калифорнийского университета Джильберт Ньютон Льюис(1875-19460), открывший её электронную природу, назвал её чисто химической связью.

Самое простое органическое соединение метан (CH₄). Его молекула состоит из пяти атомов – одного атома углерода и четырёх атомов водорода.

Так, как атом углерода имеет большую электроотрицательность (2,5), чем водород(2,1), в молекуле метана происходит незначительное смещение общих электронных пар в сторону атома углерода (по Поллингу)

Строение атома углерода изображают следующей схемой

По Бору, каждой из круговых орбит соответствует конкретное энергетическое состояние электрона (энергетический уровень).

Так как на втором энергетическом уровне Р-подуровне имеется свободная орбиталь, то на неё может перейти один из 2s²-электронов. Если электрон, поглотив энергию, переходит на более удалённую от ядра орбиту, то это означает переход атома из основного (стационарного) состояния в возбужденное (нестационарное).

В результате все четыре наружных электрона второго энергетического уровня в атоме углерода окажутся неспаренными, и атом углерода в возбужденном состоянии становится четырёхвалентным.

Облака S-электронов имеют форму сферы, облака Р-электронов выглядят симметричными восьмёрками, причём эти восьмёрки могут быть расположены в пространстве вдоль осей Х, Y, Z. Однако такое положение энергетически не выгодно. Возникает противоречие, что неравноценные по исходному состоянию электроны образуют равноценные связи. Для объяснения этих фактов Лайнус Поллинг ввёл понятие гибридизация орбиталей, согласно которому происходит смешивание, усреднение имеющихся орбиталей. В молекуле метана в гибридизации участвуют один S-электрон и три Р-электрона, то такой её вид называется SP³-гибридизацией. Это первое валентное состояние атома углерода. При гибридизации взаимно изменяются первоначальная форма и энергия орбиталей, поэтому образовавшиеся гибридные орбитали отличаются от исходных. Связь, осуществляемая электронами гибридных орбиталей, намного прочнее, т.к. перекрывание происходит в значительно большей степени, чем при участии негибридных орбиталей.

К каждой из четырёх орбиталей атома углерода направленных к вершинам тетраэдра, подходят атомы водорода ориентированные друг к другу под углом 109°28' SP³-гибридные облака углерода и S-электронные облака водорода перекрываются, а это означает образование химической сигма связи.

Итак, SP³-гибридные облака образуют простую, сигма связь. Метан – один из основных «кирпичиков», из которых можно строить органические соединения, сравнительно инертное вещество, имеет объёмное строение.