Природа углеродной связи

Фуллерены и углеродные нанотрубки

Уникальная природа углеродной связи позволяет углероду образовывать интересные и перспективные для нанотехнологий наноструктуры, например углеродные нанотрубки (УНТ).

Среди огромного числа известных сегодня молекул наибольшим разнообразием отличаются молекулы соединений углерода – органические. Уникальная особенность углерода состоит в том, что его атомы объединяются в цепочки повторяющихся звеньев различной длины. Атомы углерода, образующие органические соединения, могут находиться в трех структурных состояниях:

• тетраэдрическое, в котором атом углерода находится как бы в центре тетраэдра, а его связи с другими атомами направлены к вершинам тетраэдра;
• тригональное – связи атома углерода направлены от центра плоского треугольника к его вершинам;
• линейное – все три атома - углерода и двух связанных с ним, лежат на одной прямой

Поскольку в подавляющем числе органических соединений валентность углерода равна четырем, тригональные состояния проявляются в молекулах с двойными связями углерод-углерод, а линейные – в молекулах с тройными связями.

Эти структурные особенности молекул соединений углерода могут быть объяс­нены, исходя из свойств их электронной структуры. Сегодня геометрическая конфи­гурация ядер сравнительно больших органических молекул может быть определена с точностью эксперимента решением уравнения Шредингера. Но это — трудоемкий и дорогостоящий путь. Поэтому еще в 30-е гг. прошлого века, когда расчетные квантовомеханические методы находились в зачаточном состоянии, известный химик-теоретик Полинг предложил полуэмпирический метод объяснения. Исходя из экспериментально установленных вариантов расположения связей атома углерода, он предложил в качестве объяснения принцип гибридизации атомных орбиталей.

Как известно, валентные электроны атома углерода находятся на атомных 2 s - и 2 р -орбиталях. 2 s -орбитали имеют сферическую симметрию, а 2 р -орбитали распо­лагаются в пространстве перпендикулярно друг другу. Поскольку линейные ком­бинации решений уравнения Шредингера являются также его решениями, Полинг ввел понятие гибридных орбиталей — линейных комбинаций s - и р -орбиталей атома углерода. Если при этом наложить на эти комбинации симметрийные ограничения, то оказывается, что они правильно описывают пространственное расположение связей атома углерода. Учет симметрийных принципов показал, что в случае тетраэдрической симметрии во все четыре гибридные орбитали входят s - и все р -орбитали углерода. Этот вариант называют sр ³-гибридизацией. Тригональные (sр ²) и линейные (sр) гибридные орбитали в соответствии с симметрийными требованиями должны строиться из s - и двух р -, и s - и одной р -орбиталей соответственно. Т.о., остаются не вошедшие в гибридные – одна р -орбиталь в случае sр ²-гибридизации и две р -орбитали в случае sр -гибридизации. Их перекрыванием Полинг объяснил образование двойных и тройных связей углерод–углерод.