Sa ground state, ang carbon atom C (1s 2 2s 2 2p 2) ay may dalawang hindi magkapares na electron, dahil sa kung saan dalawang karaniwang pares ng elektron lamang ang mabubuo. Gayunpaman, sa karamihan ng mga compound nito, ang carbon ay tetravalent. Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na ang carbon atom, na sumisipsip ng isang maliit na halaga ng enerhiya, ay napupunta sa isang nasasabik na estado kung saan mayroon itong 4 na hindi magkapares na mga electron, i.e. may kakayahang bumuo apat mga covalent bond at nakikibahagi sa pagbuo ng apat na karaniwang pares ng elektron:

6 C 1s 2 2s 2 2p 2 6 C * 1s 2 2s 1 2p 3 .

↓

1

↓

p

↓

p

s

s

Ang enerhiya ng paggulo ay binabayaran ng pagbuo ng mga bono ng kemikal, na nangyayari sa pagpapalabas ng enerhiya.

Ang mga carbon atom ay may kakayahang bumuo ng tatlong uri ng hybridization ng mga electron orbital ( sp 3, sp 2, sp) at ang pagbuo ng maramihang (doble at triple) na mga bono sa kanilang sarili (Talahanayan 2.2).

Talahanayan 2.2

Mga uri ng hybridization at molecular geometry

Ang isang simpleng (solong) s-koneksyon ay isinasagawa kapag sp 3-hybridization, kung saan ang lahat ng apat na hybrid na orbital ay katumbas at nakadirekta sa espasyo sa isang anggulo na 109°29 'sa isa't isa at naka-orient sa mga vertices ng isang regular na tetrahedron (Fig. 2.8).

kanin. 2.8. Pagbuo ng methane molecule CH 4

Kung ang mga hybrid na carbon orbital ay magkakapatong sa mga spherical s-orbitals ng hydrogen atom, pagkatapos ay ang pinakasimpleng organic compound methane CH 4 ay nabuo - isang saturated hydrocarbon.

Ang malaking interes ay ang pag-aaral ng mga bono ng mga atomo ng carbon sa isa't isa at sa mga atomo ng iba pang mga elemento. Isaalang-alang natin ang istraktura ng mga molekula ng ethane, ethylene at acetylene.

Ang mga anggulo sa pagitan ng lahat ng mga bono sa molekula ng ethane ay halos eksaktong katumbas ng bawat isa (Larawan 2.9) at hindi naiiba sa mga anggulo ng C - H sa molekula ng methane.

Samakatuwid, ang mga carbon atom ay nasa isang estado sp 3-hybridization.

kanin. 2.9. Molekyul ng ethane C 2 H 6

Ang hybridization ng electronic orbitals ng carbon atoms ay maaaring hindi kumpleto, i.e. dalawa ( sp 2-hybridization) o isa ( sp-hybridization) ng tatlo R-mga orbital. Sa kasong ito, sa pagitan ng mga carbon atom ay nabuo maraming koneksyon (doble o triple). Ang mga hydrocarbon na may maraming mga bono ay tinatawag na unsaturated o unsaturated. Ang dobleng bono (C=C) ay nabuo kapag sp 2-hybridization.

Sa kasong ito, ang bawat carbon atom ay may isa sa tatlo R-Ang mga orbital ay hindi kasangkot sa hybridization, na nagreresulta sa pagbuo ng tatlo sp 2-hybrid orbitals na matatagpuan sa parehong eroplano sa isang anggulo ng 120° sa bawat isa, at non-hybrid 2 R Ang -orbital ay matatagpuan patayo sa eroplanong ito. Dalawang carbon atoms ang nagbubuklod upang bumuo ng isang s-bond dahil sa magkakapatong na hybrid orbitals at isang p-bond dahil sa overlapping R-mga orbital.

Pakikipag-ugnayan ng mga libreng hybrid na orbital ng carbon na may 1 s-orbitals ng hydrogen atoms humahantong sa pagbuo ng isang ethylene molecule C 2 H 4 (Fig. 2.10) - ang pinakasimpleng kinatawan ng unsaturated hydrocarbons.

kanin. 2.10. Pagbubuo ng isang molekulang ethylene C 2 H 4

Ang overlap ng mga orbital ng elektron sa kaso ng isang p-bond ay mas kaunti at ang mga zone na may tumaas na densidad ng elektron ay namamalagi pa mula sa atomic nuclei, kaya ang bono na ito ay hindi gaanong malakas kaysa sa s-bond.

Ang isang triple bond ay nabuo ng isang s-bond at dalawang p-bond. Sa kasong ito, ang mga orbital ng elektron ay nasa isang estado ng sp-hybridization, ang pagbuo nito ay nangyayari dahil sa isang s- at isa R-orbitals (Larawan 2.11).

Ang dalawang hybrid na orbital ay matatagpuan sa isang anggulo na 180° na may kaugnayan sa isa't isa, at ang natitirang di-hybrid ay dalawa. R-Ang mga orbital ay matatagpuan sa dalawang magkaparehong patayo na eroplano. Ang pagbuo ng isang triple bond ay nagaganap sa molekula ng acetylene C 2 H 2 (tingnan ang Fig. 2.11).

kanin. 2.11. Pagbuo ng molekula ng acetylene C 2 H 2

Ang isang espesyal na uri ng bono ay nangyayari sa panahon ng pagbuo ng isang benzene molecule (C 6 H 6), ang pinakasimpleng kinatawan ng aromatic hydrocarbons.

Ang Benzene ay naglalaman ng anim na carbon atoms na pinagsama-sama sa isang singsing (benzene ring), na ang bawat carbon atom ay nasa estado ng sp 2 hybridization (Fig. 2.12).

kanin. 2.12. sp 2 – orbital ng benzene molecule C 6 H 6

Ang lahat ng carbon atoms na kasama sa benzene molecule ay matatagpuan sa parehong eroplano. Ang bawat carbon atom sa sp 2 hybridization state ay may isa pang non-hybrid na p-orbital na may isang hindi pares na electron, na bumubuo ng isang p-bond (Larawan 2.13).

Ang axis ay ganito R Ang mga orbital ay matatagpuan patayo sa eroplano ng molekula ng benzene.

Lahat ng anim ay non-hybrid R-ang mga orbital ay bumubuo ng isang karaniwang bonding molecular p-orbital, at lahat ng anim na electron ay nagsasama-sama upang bumuo ng isang p-electron sextet.

Ang ibabaw ng hangganan ng naturang orbital ay matatagpuan sa itaas at sa ibaba ng eroplano ng carbon s-skeleton. Bilang resulta ng pabilog na overlap, lumitaw ang isang solong delocalized na p-system, na sumasaklaw sa lahat ng carbon atoms ng cycle (Larawan 2.13).

Ang Benzene ay inilalarawan ng eskematiko bilang isang hexagon na may singsing sa loob, na nagpapahiwatig na nagaganap ang delokalisasi ng mga electron at kaukulang mga bono.

kanin. 2.13. -mga bono sa molekula ng benzene C 6 H 6

Ionic na kemikal na bono

Ionic na bono- isang kemikal na bono na nabuo bilang isang resulta ng mutual electrostatic attraction ng magkasalungat na sisingilin na mga ion, kung saan ang isang matatag na estado ay nakakamit sa pamamagitan ng kumpletong paglipat ng kabuuang density ng elektron sa isang atom ng isang mas electronegative na elemento.

Ang isang purong ionic na bono ay isang matinding kaso ng isang covalent bond.

Sa pagsasagawa, ang kumpletong paglipat ng mga electron mula sa isang atom patungo sa isa pang atom sa pamamagitan ng isang bono ay hindi natanto, dahil ang bawat elemento ay may mas malaki o mas maliit (ngunit hindi zero) EO, at anumang kemikal na bono ay magiging covalent sa ilang lawak.

Ang gayong bono ay nangyayari sa kaso ng malaking pagkakaiba sa EO ng mga atomo, halimbawa, sa pagitan ng mga kasyon s-mga metal ng una at pangalawang pangkat ng periodic system at mga anion ng mga di-metal ng mga pangkat VIА at VIIА (LiF, NaCl, CsF, atbp.).

Hindi tulad ng isang covalent bond, Ang ionic bond ay walang direksyon . Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng ang katunayan na ang electric field ng ion ay may spherical symmetry, i.e. bumababa nang may distansya ayon sa parehong batas sa anumang direksyon. Samakatuwid, ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga ion ay hindi nakasalalay sa direksyon.

Ang pakikipag-ugnayan ng dalawang ion ng magkasalungat na tanda ay hindi maaaring humantong sa kumpletong kabayaran sa isa't isa ng kanilang mga patlang ng puwersa. Dahil dito, napapanatili nila ang kakayahang makaakit ng mga ion ng kabaligtaran na tanda sa ibang direksyon. Samakatuwid, hindi tulad ng isang covalent bond, Ang ionic bonding ay nailalarawan din sa pamamagitan ng unsaturation .

Ang kakulangan ng direksyon at saturation sa mga ionic na bono ay tumutukoy sa ugali ng mga molekulang ionic na mag-ugnay. Ang lahat ng ionic compound sa solid state ay may ionic crystal lattice, kung saan ang bawat ion ay napapalibutan ng ilang ions ng kabaligtaran na sign. Sa kasong ito, ang lahat ng mga bono ng isang ibinigay na ion na may mga kalapit na ion ay katumbas.

Koneksyon ng metal

Ang mga metal ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang bilang ng mga espesyal na katangian: electrical at thermal conductivity, isang katangian ng metallic luster, malleability, mataas na ductility, at mahusay na lakas. Ang mga partikular na katangian ng mga metal ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng isang espesyal na uri ng kemikal na bono na tinatawag metal .

Ang isang metal na bono ay ang resulta ng magkakapatong na mga delocalized na orbital ng mga atom na papalapit sa isa't isa sa kristal na sala-sala ng isang metal.

Karamihan sa mga metal ay may malaking bilang ng mga bakanteng orbital at isang maliit na bilang ng mga electron sa kanilang panlabas na antas ng elektroniko.

Samakatuwid, ito ay mas kanais-nais para sa mga electron na hindi ma-localize, ngunit kabilang sa buong atom ng metal. Sa mga lattice node ng metal mayroong mga positibong sisingilin na mga ion, na nahuhulog sa isang electron "gas" na ipinamamahagi sa buong metal:

Ako ↔ Ako n + + n .

Mayroong isang electrostatic na pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga positibong sisingilin na mga ion ng metal (Me n +) at mga di-lokal na electron (n), na nagsisiguro sa katatagan ng sangkap. Ang enerhiya ng pakikipag-ugnayan na ito ay intermediate sa pagitan ng mga energies ng covalent at molecular crystals. Samakatuwid, ang mga elemento na may purong metal na bono ( s-, At p-elemento) ay nailalarawan sa pamamagitan ng medyo mataas na mga punto ng pagkatunaw at katigasan.

Ang pagkakaroon ng mga electron, na maaaring malayang gumagalaw sa kabuuan ng dami ng kristal, ay nagbibigay ng mga partikular na katangian ng metal

Hydrogen bond

Hydrogen bond – isang espesyal na uri ng intermolecular interaction. Ang mga hydrogen atoms na covalently bonded sa isang atom ng isang elemento na may mataas na electronegativity value (kadalasan F, O, N, ngunit gayundin ang Cl, S, at C) ay nagdadala ng medyo mataas na epektibong singil. Bilang resulta, ang gayong mga atomo ng hydrogen ay maaaring makipag-ugnayan sa electrostatically sa mga atomo ng mga elementong ito.

Kaya, ang H d + atom ng isang molekula ng tubig ay nakatuon at nakikipag-ugnayan nang naaayon (tulad ng ipinapakita ng tatlong tuldok) sa O d - atom ng isa pang molekula ng tubig:

Ang mga bono na nabuo ng isang H atom na matatagpuan sa pagitan ng dalawang atom ng mga electronegative na elemento ay tinatawag na hydrogen:

d- d+ d-

A − H ××× B

Ang enerhiya ng isang hydrogen bond ay makabuluhang mas mababa kaysa sa enerhiya ng isang conventional covalent bond (150–400 kJ/mol), ngunit ang enerhiya na ito ay sapat na upang maging sanhi ng pagsasama-sama ng mga molekula ng mga kaukulang compound sa likidong estado, halimbawa, sa likido hydrogen fluoride HF (Larawan 2.14). Para sa mga compound ng fluorine umabot ito ng halos 40 kJ/mol.

kanin. 2.14. Pagsasama-sama ng mga molekula ng HF dahil sa mga bono ng hydrogen

Ang haba ng isang hydrogen bond ay mas maikli din kaysa sa haba ng isang covalent bond. Kaya, sa polymer (HF) n, ang haba ng bono ay F−H = 0.092 nm, at ang haba ng bono ay F∙∙∙H = 0.14 nm. Para sa tubig, ang haba ng bono ay O−H=0.096 nm, at ang haba ng bono O∙∙∙H=0.177 nm.

Ang pagbuo ng intermolecular hydrogen bond ay humahantong sa isang makabuluhang pagbabago sa mga katangian ng mga sangkap: isang pagtaas sa lagkit, dielectric na pare-pareho, kumukulo at natutunaw na mga punto.

Kaugnay na impormasyon.

169375 0

Ang bawat atom ay may isang tiyak na bilang ng mga electron.

Kapag pumapasok sa mga reaksiyong kemikal, ang mga atom ay nag-donate, nakakakuha, o nagbabahagi ng mga electron, na nakakamit ang pinaka-matatag na pagsasaayos ng elektroniko. Ang pagsasaayos na may pinakamababang enerhiya (tulad ng sa noble gas atoms) ay lumalabas na ang pinaka-matatag. Ang pattern na ito ay tinatawag na "octet rule" (Fig. 1).

kanin. 1.

Nalalapat ang panuntunang ito sa lahat mga uri ng koneksyon. Ang mga elektronikong koneksyon sa pagitan ng mga atomo ay nagpapahintulot sa kanila na bumuo ng mga matatag na istruktura, mula sa pinakasimpleng mga kristal hanggang sa mga kumplikadong biomolecules na sa huli ay bumubuo ng mga buhay na sistema. Naiiba sila sa mga kristal sa kanilang tuluy-tuloy na metabolismo. Kasabay nito, maraming mga reaksiyong kemikal ang nagpapatuloy ayon sa mga mekanismo elektronikong paglipat, na gumaganap ng isang kritikal na papel sa mga proseso ng enerhiya sa katawan.

Ang kemikal na bono ay ang puwersang nagsasama-sama ng dalawa o higit pang mga atomo, ion, molekula, o anumang kumbinasyon ng mga ito..

Ang likas na katangian ng isang kemikal na bono ay pangkalahatan: ito ay isang electrostatic na puwersa ng atraksyon sa pagitan ng mga negatibong sisingilin na mga electron at positibong sisingilin na nuclei, na tinutukoy ng pagsasaayos ng mga electron ng panlabas na shell ng mga atomo. Ang kakayahan ng isang atom na bumuo ng mga kemikal na bono ay tinatawag valency, o estado ng oksihenasyon. Ang konsepto ng mga electron ng valence- mga electron na bumubuo ng mga bono ng kemikal, iyon ay, matatagpuan sa pinakamataas na orbital ng enerhiya. Alinsunod dito, ang panlabas na shell ng atom na naglalaman ng mga orbital na ito ay tinatawag shell ng valence. Sa kasalukuyan, hindi sapat na ipahiwatig ang pagkakaroon ng isang kemikal na bono, ngunit kinakailangan upang linawin ang uri nito: ionic, covalent, dipole-dipole, metallic.

Ang unang uri ng koneksyon ayionic koneksyon

Ayon sa teorya ng elektronikong valence ni Lewis at Kossel, ang mga atomo ay maaaring makamit ang isang matatag na pagsasaayos ng elektroniko sa dalawang paraan: una, sa pamamagitan ng pagkawala ng mga electron, pagiging mga kasyon, pangalawa, ang pagkuha sa kanila, nagiging mga anion. Bilang resulta ng paglipat ng elektron, dahil sa electrostatic na puwersa ng pagkahumaling sa pagitan ng mga ion na may mga singil ng magkasalungat na mga palatandaan, nabuo ang isang kemikal na bono, na tinatawag na Kossel " electrovalent"(tinatawag na ngayon ionic).

Sa kasong ito, ang mga anion at cation ay bumubuo ng isang matatag na pagsasaayos ng elektroniko na may puno na panlabas na shell ng elektron. Ang mga tipikal na ionic bond ay nabuo mula sa mga grupong cation T at II ng periodic system at mga anion ng di-metallic na elemento ng mga grupo VI at VII (16 at 17 subgroup, ayon sa pagkakabanggit, chalcogens At halogens). Ang mga bono ng mga ionic compound ay unsaturated at non-directional, kaya pinananatili nila ang posibilidad ng electrostatic na pakikipag-ugnayan sa iba pang mga ion. Sa Fig. Ang mga figure 2 at 3 ay nagpapakita ng mga halimbawa ng mga ionic bond na naaayon sa modelo ng Kossel ng paglilipat ng elektron.

kanin. 2.

kanin. 3. Ionic bond sa isang molekula ng table salt (NaCl)

Dito angkop na alalahanin ang ilang mga katangian na nagpapaliwanag sa pag-uugali ng mga sangkap sa kalikasan, sa partikular, isaalang-alang ang ideya ng mga acid At mga dahilan.

Ang mga may tubig na solusyon ng lahat ng mga sangkap na ito ay mga electrolyte. Magkaiba sila ng kulay mga tagapagpahiwatig. Ang mekanismo ng pagkilos ng mga tagapagpahiwatig ay natuklasan ni F.V. Ostwald. Ipinakita niya na ang mga tagapagpahiwatig ay mahina na mga acid o base, ang kulay nito ay naiiba sa mga hindi pinaghihiwalay at dissociated na estado.

Ang mga base ay maaaring neutralisahin ang mga acid. Hindi lahat ng base ay natutunaw sa tubig (halimbawa, ang ilang mga organikong compound na hindi naglalaman ng mga pangkat ng OH ay hindi matutunaw, sa partikular, triethylamine N(C 2 H 5) 3); ang mga natutunaw na base ay tinatawag alkalis.

Ang mga may tubig na solusyon ng mga acid ay sumasailalim sa mga katangiang reaksyon:

a) na may mga metal oxide - na may pagbuo ng asin at tubig;

b) na may mga metal - na may pagbuo ng asin at hydrogen;

c) na may carbonates - na may pagbuo ng asin, CO 2 at N 2 O.

Ang mga katangian ng mga acid at base ay inilalarawan ng ilang mga teorya. Alinsunod sa teorya ng S.A. Arrhenius, isang acid ay isang sangkap na naghihiwalay upang bumuo ng mga ion N+ , habang ang base ay bumubuo ng mga ion SIYA- . Ang teoryang ito ay hindi isinasaalang-alang ang pagkakaroon ng mga organikong base na walang mga hydroxyl group.

Alinsunod sa proton Ayon sa teorya ni Brønsted at Lowry, ang asido ay isang sangkap na naglalaman ng mga molekula o ion na nag-aabuloy ng mga proton ( mga donor proton), at ang base ay isang sangkap na binubuo ng mga molekula o ion na tumatanggap ng mga proton ( mga tumatanggap proton). Tandaan na sa mga may tubig na solusyon, ang mga hydrogen ions ay umiiral sa hydrated form, iyon ay, sa anyo ng mga hydronium ions. H3O+ . Ang teoryang ito ay naglalarawan ng mga reaksyon hindi lamang sa tubig at hydroxide ions, kundi pati na rin sa mga natupad sa kawalan ng solvent o may non-aqueous solvent.

Halimbawa, sa reaksyon sa pagitan ng ammonia N.H. 3 (mahinang base) at hydrogen chloride sa yugto ng gas, nabuo ang solidong ammonium chloride, at sa isang equilibrium na pinaghalong dalawang sangkap ay palaging may 4 na particle, dalawa sa mga ito ay mga acid, at ang iba pang dalawa ay mga base:

Ang equilibrium mixture na ito ay binubuo ng dalawang conjugate na pares ng mga acid at base:

1)N.H. 4+ at N.H. 3

2) HCl At Cl ‑

Dito, sa bawat pares ng conjugate, ang acid at base ay naiiba ng isang proton. Ang bawat acid ay may conjugate base. Ang isang malakas na acid ay may mahinang conjugate base, at isang mahinang acid ay may isang malakas na conjugate base.

Ang teorya ng Brønsted-Lowry ay tumutulong na ipaliwanag ang natatanging papel ng tubig para sa buhay ng biosphere. Ang tubig, depende sa sangkap na nakikipag-ugnayan dito, ay maaaring magpakita ng mga katangian ng alinman sa isang acid o isang base. Halimbawa, sa mga reaksyon sa may tubig na solusyon ng acetic acid, ang tubig ay isang base, at sa mga reaksyon sa may tubig na solusyon ng ammonia, ito ay isang acid.

1) CH 3 COOH + H2O ↔ H3O + + CH 3 COO- . Dito, ang isang molekula ng acetic acid ay nagbibigay ng isang proton sa isang molekula ng tubig;

2) NH 3 + H2O ↔ NH 4 + + SIYA- . Dito, ang isang molekula ng ammonia ay tumatanggap ng isang proton mula sa isang molekula ng tubig.

Kaya, ang tubig ay maaaring bumuo ng dalawang pares ng conjugate:

1) H2O(acid) at SIYA- (conjugate base)

2) H 3 O+ (acid) at H2O(conjugate base).

Sa unang kaso, ang tubig ay nag-donate ng isang proton, at sa pangalawa, tinatanggap ito.

Ang ari-arian na ito ay tinatawag na amphiprotonism. Ang mga sangkap na maaaring tumugon bilang parehong mga acid at base ay tinatawag amphoteric. Ang ganitong mga sangkap ay madalas na matatagpuan sa buhay na kalikasan. Halimbawa, ang mga amino acid ay maaaring bumuo ng mga asing-gamot na may parehong mga acid at base. Samakatuwid, ang mga peptide ay madaling bumubuo ng mga compound ng koordinasyon na may mga metal ions na naroroon.

Kaya, ang isang katangian ng isang ionic bond ay ang kumpletong paggalaw ng mga bonding electron sa isa sa mga nuclei. Nangangahulugan ito na sa pagitan ng mga ion ay mayroong isang rehiyon kung saan ang density ng elektron ay halos zero.

Ang pangalawang uri ng koneksyon aycovalent koneksyon

Ang mga atom ay maaaring bumuo ng mga matatag na elektronikong pagsasaayos sa pamamagitan ng pagbabahagi ng mga electron.

Ang gayong bono ay nabubuo kapag ang isang pares ng mga electron ay ibinahagi nang paisa-isa mula sa lahat atom. Sa kasong ito, ang mga nakabahaging electron ng bono ay ibinahagi nang pantay sa pagitan ng mga atomo. Kasama sa mga halimbawa ng covalent bond homonuclear diatomic mga molekula H 2 , N 2 , F 2. Ang parehong uri ng koneksyon ay matatagpuan sa allotropes O 2 at ozone O 3 at para sa isang polyatomic molecule S 8 at gayundin mga molekulang heteronuklear hydrogen chloride HCl, carbon dioxide CO 2, mitein CH 4, ethanol SA 2 N 5 SIYA, sulfur hexafluoride SF 6, acetylene SA 2 N 2. Ang lahat ng mga molekulang ito ay nagbabahagi ng parehong mga electron, at ang kanilang mga bono ay puspos at nakadirekta sa parehong paraan (Larawan 4).

Mahalaga para sa mga biologist na ang doble at triple na mga bono ay nagpababa ng covalent atomic radii kumpara sa isang solong bono.

kanin. 4. Covalent bond sa isang Cl 2 molecule.

Ang mga ionic at covalent na uri ng mga bono ay dalawang matinding kaso ng maraming umiiral na mga uri ng mga kemikal na bono, at sa pagsasagawa karamihan ng mga bono ay intermediate.

Ang mga compound ng dalawang elemento na matatagpuan sa magkabilang dulo ng pareho o magkaibang mga panahon ng periodic system ay nakararami na bumubuo ng mga ionic bond. Habang lumalapit ang mga elemento sa loob ng isang panahon, ang ionic na katangian ng kanilang mga compound ay bumababa, at ang covalent na karakter ay tumataas. Halimbawa, ang mga halides at oxide ng mga elemento sa kaliwang bahagi ng periodic table ay bumubuo ng mga ionic bond ( NaCl, AgBr, BaSO 4, CaCO 3, KNO 3, CaO, NaOH), at ang parehong mga compound ng mga elemento sa kanang bahagi ng talahanayan ay covalent ( H 2 O, CO 2, NH 3, NO 2, CH 4, phenol C6H5OH, glucose C 6 H 12 O 6, ethanol C 2 H 5 OH).

Ang covalent bond, sa turn, ay may isa pang pagbabago.

Sa mga polyatomic ions at sa mga kumplikadong biological na molekula, ang parehong mga electron ay maaari lamang magmula isa atom. Ito ay tinatawag na donor pares ng elektron. Ang isang atom na nagbabahagi ng pares ng mga electron na ito sa isang donor ay tinatawag tumanggap pares ng elektron. Ang ganitong uri ng covalent bond ay tinatawag koordinasyon (donor-acceptor, odatibo) komunikasyon(Larawan 5). Ang ganitong uri ng bono ay pinakamahalaga para sa biology at medisina, dahil ang kimika ng mga d-element na pinakamahalaga para sa metabolismo ay higit na inilalarawan ng mga bono ng koordinasyon.

Fig. 5.

Bilang isang patakaran, sa isang kumplikadong tambalan ang metal na atom ay kumikilos bilang isang acceptor ng isang pares ng elektron; sa kabaligtaran, sa ionic at covalent bond ang metal na atom ay isang electron donor.

Ang kakanyahan ng covalent bond at ang pagkakaiba-iba nito - ang coordination bond - ay maaaring linawin sa tulong ng isa pang teorya ng mga acid at base na iminungkahi ng GN. Lewis. Medyo pinalawak niya ang semantikong konsepto ng mga terminong "acid" at "base" ayon sa teoryang Brønsted-Lowry. Ipinapaliwanag ng teorya ni Lewis ang likas na katangian ng pagbuo ng mga kumplikadong ion at ang pakikilahok ng mga sangkap sa mga reaksyon ng pagpapalit ng nucleophilic, iyon ay, sa pagbuo ng CS.

Ayon kay Lewis, ang isang acid ay isang sangkap na may kakayahang bumuo ng isang covalent bond sa pamamagitan ng pagtanggap ng isang pares ng elektron mula sa isang base. Ang base ng Lewis ay isang sangkap na may nag-iisang pares ng elektron, na, sa pamamagitan ng pagbibigay ng mga electron, ay bumubuo ng isang covalent bond sa Lewis acid.

Iyon ay, pinalawak ng teorya ni Lewis ang hanay ng mga reaksyong acid-base sa mga reaksyon kung saan ang mga proton ay hindi nakikilahok. Bukod dito, ang proton mismo, ayon sa teoryang ito, ay isa ring acid, dahil ito ay may kakayahang tumanggap ng isang pares ng elektron.

Samakatuwid, ayon sa teoryang ito, ang mga kasyon ay mga asidong Lewis at ang mga anion ay mga base ng Lewis. Ang isang halimbawa ay ang mga sumusunod na reaksyon:

Nabanggit sa itaas na ang paghahati ng mga sangkap sa ionic at covalent ay kamag-anak, dahil ang kumpletong paglipat ng elektron mula sa mga atomo ng metal patungo sa mga atomo ng pagtanggap ay hindi nangyayari sa mga molekulang covalent. Sa mga compound na may mga ionic bond, ang bawat ion ay nasa electric field ng mga ions ng kabaligtaran na pag-sign, kaya sila ay kapwa polarized, at ang kanilang mga shell ay deformed.

Polarizability tinutukoy ng elektronikong istraktura, singil at laki ng ion; para sa mga anion ito ay mas mataas kaysa para sa mga cation. Ang pinakamataas na polarisability sa mga cation ay para sa mga cation na may mas malaking singil at mas maliit na sukat, halimbawa, Hg 2+, Cd 2+, Pb 2+, Al 3+, Tl 3+. May malakas na polarizing effect N+ . Dahil ang impluwensya ng polarization ng ion ay two-way, makabuluhang binabago nito ang mga katangian ng mga compound na kanilang nabuo.

Ang ikatlong uri ng koneksyon aydipole-dipole koneksyon

Bilang karagdagan sa mga nakalistang uri ng komunikasyon, mayroon ding dipole-dipole intermolecular pakikipag-ugnayan, tinatawag ding van der Waals .

Ang lakas ng mga pakikipag-ugnayang ito ay nakasalalay sa likas na katangian ng mga molekula.

May tatlong uri ng pakikipag-ugnayan: permanenteng dipole - permanenteng dipole ( dipole-dipole atraksyon); permanenteng dipole - induced dipole ( pagtatalaga sa tungkulin atraksyon); agarang dipole - induced dipole ( nagpapakalat atraksyon, o puwersa ng London; kanin. 6).

kanin. 6.

Tanging ang mga molekula na may polar covalent bonds ang may dipole-dipole moment ( HCl, NH 3, SO 2, H 2 O, C 6 H 5 Cl), at ang lakas ng bono ay 1-2 Debaya(1D = 3.338 × 10‑30 coulomb metro - C × m).

Sa biochemistry, may isa pang uri ng koneksyon - hydrogen koneksyon na isang limitadong kaso dipole-dipole atraksyon. Ang bono na ito ay nabuo sa pamamagitan ng atraksyon sa pagitan ng isang hydrogen atom at isang maliit na electronegative atom, kadalasang oxygen, fluorine at nitrogen. Sa malalaking atomo na may katulad na electronegativity (tulad ng chlorine at sulfur), ang hydrogen bond ay mas mahina. Ang hydrogen atom ay nakikilala sa pamamagitan ng isang makabuluhang tampok: kapag ang mga bonding electron ay hinila palayo, ang nucleus nito - ang proton - ay nakalantad at hindi na sinasanggalang ng mga electron.

Samakatuwid, ang atom ay nagiging isang malaking dipole.

Ang isang hydrogen bond, hindi tulad ng isang van der Waals bond, ay nabuo hindi lamang sa panahon ng intermolecular interaction, kundi pati na rin sa loob ng isang molekula - intramolecular hydrogen bond. Ang mga hydrogen bond ay may mahalagang papel sa biochemistry, halimbawa, upang patatagin ang istruktura ng mga protina sa anyo ng isang a-helix, o para sa pagbuo ng isang double helix ng DNA (Larawan 7).

Fig.7.

Ang hydrogen at van der Waals bond ay mas mahina kaysa sa ionic, covalent at coordination bond. Ang enerhiya ng mga intermolecular bond ay ipinahiwatig sa talahanayan. 1.

Talahanayan 1. Enerhiya ng mga puwersa ng intermolecular

Tandaan: Ang antas ng intermolecular na pakikipag-ugnayan ay makikita ng enthalpy ng pagkatunaw at pagsingaw (pagkulo). Ang mga ionic compound ay nangangailangan ng mas maraming enerhiya upang paghiwalayin ang mga ion kaysa sa paghiwalayin ng mga molekula. Ang enthalpy ng pagtunaw ng mga ionic compound ay mas mataas kaysa sa molecular compound.

Ang ikaapat na uri ng koneksyon aykoneksyon ng metal

Sa wakas, may isa pang uri ng intermolecular bond - metal: koneksyon ng mga positibong ion ng isang metal na sala-sala na may mga libreng electron. Ang ganitong uri ng koneksyon ay hindi nangyayari sa mga biological na bagay.

Mula sa isang maikling pagsusuri ng mga uri ng bono, isang detalye ang nagiging malinaw: isang mahalagang parameter ng isang metal na atom o ion - isang electron donor, pati na rin ang isang atom - isang electron acceptor, ay ang laki.

Nang walang mga detalye, mapapansin natin na ang covalent radii ng mga atomo, ionic radii ng mga metal at van der Waals radii ng mga nakikipag-ugnayang molekula ay tumataas habang tumataas ang kanilang atomic number sa mga grupo ng periodic system. Sa kasong ito, ang mga halaga ng ion radii ay ang pinakamaliit, at ang van der Waals radii ang pinakamalaki. Bilang isang patakaran, kapag lumilipat pababa sa pangkat, ang radii ng lahat ng mga elemento ay tumataas, parehong covalent at van der Waals.

Pinakamahalaga para sa mga biologist at manggagamot ay koordinasyon(donor-acceptor) mga bono na isinasaalang-alang ng kimika ng koordinasyon.

Medikal na bioinorganics. G.K. Barashkov

KABANATA 2. CHEMICAL BONDING AT MUTUAL INFLUENCE NG MGA ATOM SA ORGANIC COMPOUNDS

KABANATA 2. CHEMICAL BONDING AT MUTUAL INFLUENCE NG MGA ATOM SA ORGANIC COMPOUNDS

Ang mga katangian ng kemikal ng mga organikong compound ay tinutukoy ng uri ng mga bono ng kemikal, ang likas na katangian ng mga nakagapos na atomo at ang kanilang impluwensya sa isa't isa sa molekula. Ang mga salik na ito, sa turn, ay tinutukoy ng elektronikong istraktura ng mga atomo at ang pakikipag-ugnayan ng kanilang mga atomic na orbital.

2.1. Elektronikong istraktura ng carbon atom

Ang bahagi ng atomic space kung saan ang posibilidad na makahanap ng isang electron ay pinakamataas ay tinatawag na atomic orbital (AO).

Sa kimika, malawakang ginagamit ang konsepto ng hybrid orbitals ng carbon atom at iba pang elemento. Ang konsepto ng hybridization bilang isang paraan ng paglalarawan ng muling pagsasaayos ng mga orbital ay kinakailangan kapag ang bilang ng mga hindi magkapares na electron sa ground state ng isang atom ay mas mababa sa bilang ng mga bono na nabuo. Ang isang halimbawa ay ang carbon atom, na sa lahat ng mga compound ay nagpapakita ng sarili bilang isang tetravalent na elemento, ngunit alinsunod sa mga patakaran para sa pagpuno ng mga orbital, ang panlabas na antas ng elektroniko nito sa ground state 1s 2 2s 2 2p 2 ay naglalaman lamang ng dalawang hindi magkapares na mga electron (Fig. 2.1, A at Apendise 2-1). Sa mga kasong ito, ipinapalagay na ang iba't ibang mga atomic na orbital, na katulad ng enerhiya, ay maaaring maghalo sa isa't isa, na bumubuo ng mga hybrid na orbital ng parehong hugis at enerhiya.

Ang mga hybridized na orbital, dahil sa mas malaking overlap, ay bumubuo ng mas malakas na mga bono kumpara sa mga non-hybridized na orbital.

Depende sa bilang ng mga orbital na pumasok sa hybridization, ang isang carbon atom ay maaaring nasa isa sa tatlong estado.

kanin. 2.1.Pamamahagi ng mga electron sa mga orbital ng isang carbon atom sa lupa (a), excited (b) at hybridized na estado (c - sp3, g-sp2, d-sp)

hybridization (tingnan ang Fig. 2.1, c-d). Tinutukoy ng uri ng hybridization ang oryentasyon ng mga hybrid na AO sa espasyo at, dahil dito, ang geometry ng mga molekula, ibig sabihin, ang kanilang spatial na istraktura.

Ang spatial na istraktura ng mga molekula ay ang relatibong pag-aayos ng mga atomo at mga grupong atomiko sa espasyo.

sp 3-Hybridization.Kapag ang apat na panlabas na AO ng isang excited na carbon atom (tingnan ang Fig. 2.1, b) - isang 2s at tatlong 2p orbital - ay pinaghalo, apat na katumbas na sp 3 hybrid na orbital ang lumitaw. Mayroon silang hugis ng isang three-dimensional na "walong", ang isa sa mga blades ay mas malaki kaysa sa isa.

Ang bawat hybrid na orbital ay puno ng isang elektron. Ang carbon atom sa estado ng sp 3 hybridization ay may electronic configuration 1s 2 2(sp 3) 4 (tingnan ang Fig. 2.1, c). Ang estado ng hybridization na ito ay katangian ng mga carbon atom sa saturated hydrocarbons (alkanes) at, nang naaayon, sa mga alkyl radical.

Dahil sa mutual repulsion, ang sp 3 -hybrid AOs ay nakadirekta sa espasyo patungo sa vertices tetrahedron, at ang mga anggulo sa pagitan nila ay 109.5? (ang pinakakapaki-pakinabang na lokasyon; Fig. 2.2, a).

Ang spatial na istraktura ay inilalarawan gamit ang mga stereochemical formula. Sa mga formula na ito, ang sp 3 -hybridized carbon atom at ang dalawang bono nito ay inilalagay sa plane ng drawing at graphical na ipinahiwatig ng isang regular na linya. Ang isang makapal na linya o isang makapal na wedge ay nagpapahiwatig ng isang koneksyon na umaabot pasulong mula sa eroplano ng pagguhit at nakadirekta patungo sa tagamasid; may tuldok na linya o may kulay na kalang (..........) - isang koneksyon na umaabot mula sa tagamasid sa kabila ng eroplano ng pagguhit -

kanin. 2.2.Mga uri ng carbon atom hybridization. Ang punto sa gitna ay ang nucleus ng atom (ang mga maliliit na praksyon ng mga hybrid na orbital ay tinanggal upang pasimplehin ang figure; ang mga di-hybridized na p-AO ay ipinapakita sa kulay)

ginang (Larawan 2.3, a). Ang carbon atom ay nasa estado sp 3-may tetrahedral configuration ang hybridization.

sp 2-Hybridization.Kapag naghahalo ng isa 2s- at dalawang 2p-AO ng isang excited na carbon atom, tatlong katumbas ang nabuo sp 2-hybrid orbitals at nananatiling unhybridized 2p-AO. Ang carbon atom ay nasa estado sp Ang 2-hybridization ay may elektronikong configuration 1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 (tingnan ang Fig. 2.1, d). Ang ganitong estado ng carbon atom hybridization ay tipikal para sa unsaturated hydrocarbons (alkenes), gayundin para sa ilang functional na grupo, gaya ng carbonyl at carboxyl.

sp 2 -Ang mga hybrid na orbital ay matatagpuan sa parehong eroplano sa isang anggulo na 120?, at ang di-hybridized na AO ay nasa isang patayo na eroplano (tingnan ang Fig. 2.2, b). Ang carbon atom ay nasa estado sp 2-hybridization ay may trigonal na pagsasaayos. Ang mga carbon atoms na konektado ng double bond ay nasa eroplano ng drawing, at ang kanilang mga single bond na nakadirekta patungo at palayo sa observer ay itinalaga gaya ng inilarawan sa itaas (tingnan ang Fig. 2.3, b).

sp-Hybridization.Kapag ang isang 2s- at isang 2p-orbital ng isang excited na carbon atom ay pinaghalo, dalawang katumbas na sp-hybrid AO ang nabubuo, at dalawang p-AO ang nananatiling unhybridized. Ang carbon atom sa sp-hybridized na estado ay may elektronikong pagsasaayos

kanin. 2.3.Stereochemical formula ng methane (a), ethane (b) at acetylene (c)

1s 2 2(sp 2) 2 2p 2 (tingnan ang Fig. 2.1, d). Ang estado ng hybridization ng carbon atom ay nangyayari sa mga compound na may triple bond, halimbawa, sa mga alkynes at nitriles.

Ang sp-Hybridized na mga orbital ay matatagpuan sa isang anggulo na 180°, at ang dalawang hindi hybrid na AO ay matatagpuan sa magkabilang patayo na mga eroplano (tingnan ang Fig. 2.2, c). Ang carbon atom sa sp-hybridized na estado ay may linear na pagsasaayos halimbawa, sa isang molekula ng acetylene, lahat ng apat na atomo ay nasa parehong tuwid na linya (tingnan ang Fig. 2.3, V).

Ang mga atom ng iba pang organogenic na elemento ay maaari ding nasa hybridized na estado.

2.2. Mga kemikal na bono ng isang carbon atom

Ang mga kemikal na bono sa mga organikong compound ay pangunahing kinakatawan ng mga covalent bond.

Ang covalent bond ay isang kemikal na bono na nabuo bilang resulta ng pagbabahagi ng mga electron sa pagitan ng mga nakagapos na atomo.

Ang mga nakabahaging electron na ito ay sumasakop sa molecular orbitals (MOs). Bilang isang tuntunin, ang isang MO ay isang multicenter orbital at ang mga electron na pumupuno dito ay delocalized (dispersed). Kaya, ang isang MO, tulad ng isang AO, ay maaaring mabakante, napuno ng isang electron o dalawang electron na may magkasalungat na mga spin*.

2.2.1. σ- Atπ -Mga koneksyon

Mayroong dalawang uri ng covalent bonds: σ (sigma) at π (pi) bonds.

Ang σ-bond ay isang covalent bond na nabuo kapag ang isang AO ay nag-overlap sa isang tuwid na linya (axis) na nagkokonekta sa nuclei ng dalawang bonded na atom na may pinakamataas na overlap sa tuwid na linyang ito.

Nagaganap ang σ-bond kapag nag-overlap ang anumang AO, kabilang ang mga hybrid. Ipinapakita ng Figure 2.4 ang pagbuo ng σ bond sa pagitan ng carbon atoms bilang resulta ng axial overlap ng kanilang hybrid sp 3 -AO at σ C-H bond sa pamamagitan ng overlapping ng hybrid sp 3 -AO ng carbon at s-AO ng hydrogen.

* Para sa higit pang mga detalye tingnan ang: Popkov V.A., Puzakov S.A. Pangkalahatang kimika. - M.: GEOTAR-Media, 2007. - Kabanata 1.

kanin. 2.4.Ang pagbuo ng mga σ bond sa ethane sa pamamagitan ng axial overlap ng AOs (maliit na fraction ng hybrid orbitals ay tinanggal at ipinapakita sa kulay sp 3 -AO carbon, itim - s-AO hydrogen)

Bilang karagdagan sa axial overlap, ang isa pang uri ng overlap ay posible - lateral overlap ng p-AO, na humahantong sa pagbuo ng isang π bond (Larawan 2.5).

p-atomic orbitals

kanin. 2.5.Pagbubuo ng π bond sa ethylene sa pamamagitan ng lateral overlap r-AO

Ang π-bond ay isang bono na nabuo sa pamamagitan ng lateral overlap ng unhybridized p-AOs na may pinakamataas na overlap sa magkabilang panig ng tuwid na linya na nagkokonekta sa nuclei ng mga atomo.

Ang maramihang mga bono na matatagpuan sa mga organikong compound ay isang kumbinasyon ng mga σ- at π-bond: doble - isang σ- at isang π-, triple - isang σ- at dalawang π-bond.

Ang mga katangian ng isang covalent bond ay ipinahayag sa pamamagitan ng mga katangian tulad ng enerhiya, haba, polarity at polarizability.

Enerhiya ng komunikasyonay ang enerhiya na inilabas kapag ang isang bono ay nabuo o kinakailangan upang paghiwalayin ang dalawang nakagapos na mga atomo. Ito ay nagsisilbing sukatan ng lakas ng bono: mas mataas ang enerhiya, mas malakas ang bono (Talahanayan 2.1).

Haba ng linkay ang distansya sa pagitan ng mga sentro ng nakagapos na mga atomo. Ang double bond ay mas maikli kaysa sa isang solong bond, at ang triple bond ay mas maikli kaysa sa double bond (tingnan ang Talahanayan 2.1). Ang mga bono sa pagitan ng mga carbon atom sa iba't ibang estado ng hybridization ay may isang karaniwang pattern -

Talahanayan 2.1.Mga pangunahing katangian ng mga covalent bond

Habang tumataas ang fraction ng s orbital sa hybrid orbital, bumababa ang haba ng bono. Halimbawa, sa isang serye ng mga compound propane CH 3 CH 2 CH 3, propene CH 3 CH=CH 2, propyne CH 3 C=CH haba ng bono CH 3 -C ay katumbas na katumbas ng 0.154; 0.150 at 0.146 nm.

Polarity ng komunikasyon dahil sa hindi pantay na pamamahagi (polarization) ng density ng elektron. Ang polarity ng isang molekula ay nasusukat sa halaga ng dipole moment nito. Mula sa mga sandali ng dipole ng isang molekula, maaaring kalkulahin ang mga sandali ng dipole ng mga indibidwal na bono (tingnan ang Talahanayan 2.1). Kung mas malaki ang dipole moment, mas polar ang bond. Ang dahilan para sa polarity ng bono ay ang pagkakaiba sa electronegativity ng bonded atoms.

Electronegativity nailalarawan ang kakayahan ng isang atom sa isang molekula na humawak ng mga electron ng valence. Habang tumataas ang electronegativity ng isang atom, tumataas ang antas ng displacement ng mga bond electron sa direksyon nito.

Batay sa mga halaga ng enerhiya ng bono, ang American chemist na si L. Pauling (1901-1994) ay nagmungkahi ng isang quantitative na katangian ng kamag-anak na electronegativity ng mga atomo (Pauling scale). Sa sukat na ito (serye), ang mga tipikal na elemento ng organogen ay nakaayos ayon sa kamag-anak na electronegativity (dalawang metal ang ibinibigay para sa paghahambing) tulad ng sumusunod:

Ang electronegativity ay hindi isang ganap na pare-pareho ng isang elemento. Depende ito sa epektibong singil ng nucleus, ang uri ng AO hybridization at ang impluwensya ng mga substituent. Halimbawa, ang electronegativity ng isang carbon atom sa sp 2 o sp hybridization state ay mas mataas kaysa sa sp 3 hybridization state, na nauugnay sa pagtaas ng proporsyon ng s orbital sa hybrid orbital. Sa panahon ng paglipat ng mga atomo mula sa sp 3 - sa sp 2 - at higit pa sa sp-hybridized state, ang lawak ng hybrid orbital ay unti-unting bumababa (lalo na sa direksyon na nagbibigay ng pinakamalaking overlap sa panahon ng pagbuo ng isang σ bond), na nangangahulugang sa parehong pagkakasunud-sunod ang maximum na density ng elektron ay matatagpuan malapit at mas malapit sa nucleus ng kaukulang atom.

Sa kaso ng isang non-polar o praktikal na non-polar covalent bond, ang pagkakaiba sa electronegativity ng mga bonded na atom ay zero o malapit sa zero. Habang tumataas ang pagkakaiba sa electronegativity, tumataas ang polarity ng bono. Ang pagkakaiba ng hanggang sa 0.4 ay sinasabing mahinang polar, higit sa 0.5 ay isang malakas na polar covalent bond, at higit sa 2.0 ay isang ionic bond. Ang mga polar covalent bond ay madaling kapitan ng heterolytic cleavage

(tingnan ang 3.1.1).

Pagkaka-polarize ng bono ay ipinahayag sa displacement ng bond electron sa ilalim ng impluwensya ng isang panlabas na electric field, kasama na ang isa pang reacting particle. Ang polarizability ay tinutukoy ng electron mobility. Ang mga electron ay mas mobile kung mas malayo sila sa nuclei ng mga atomo. Sa mga tuntunin ng polarizability, ang π bond ay higit na nakahihigit sa σ bond, dahil ang pinakamataas na electron density ng π bond ay matatagpuan sa malayo mula sa bonded nuclei. Ang polarizability ay higit na tinutukoy ang reaktibiti ng mga molekula patungo sa mga polar reagents.

2.2.2. Mga bono ng donor-acceptor

Ang overlap ng dalawang one-electron AO ay hindi lamang ang paraan upang makabuo ng covalent bond. Ang isang covalent bond ay maaaring mabuo sa pamamagitan ng interaksyon ng isang two-electron orbital ng isang atom (donor) sa isang bakanteng orbital ng isa pang atom (acceptor). Ang mga donor ay mga compound na naglalaman ng alinman sa mga orbital na may nag-iisang pares ng mga electron o π-MO. Mga carrier ng nag-iisang pares ng mga electron (n-electrons, mula sa English. hindi nagbubuklod) ay mga atom ng nitrogen, oxygen, halogens.

Ang nag-iisang pares ng mga electron ay may mahalagang papel sa pagpapakita ng mga kemikal na katangian ng mga compound. Sa partikular, responsable sila para sa kakayahan ng mga compound na pumasok sa mga pakikipag-ugnayan ng donor-acceptor.

Ang isang covalent bond na nabuo ng isang pares ng mga electron mula sa isa sa mga kasosyo sa bono ay tinatawag na donor-acceptor.

Ang nagreresultang donor-acceptor bond ay naiiba lamang sa paraan ng pagbuo; ang mga katangian nito ay magkapareho sa iba pang mga covalent bond. Ang donor atom sa gayon ay nakakakuha ng isang positibong singil.

Ang mga bono ng donor-acceptor ay katangian ng mga kumplikadong compound.

2.2.3. Hydrogen bonds

Ang isang hydrogen atom na nakagapos sa isang malakas na electronegative na elemento (nitrogen, oxygen, fluorine, atbp.) ay may kakayahang makipag-ugnayan sa nag-iisang pares ng mga electron ng isa pang sapat na electronegative na atom ng pareho o ibang molekula. Bilang resulta, lumitaw ang isang hydrogen bond, na isang uri ng donor bond.

acceptor bond. Sa graphically, ang isang hydrogen bond ay karaniwang kinakatawan ng tatlong tuldok.

Ang enerhiya ng hydrogen bond ay mababa (10-40 kJ/mol) at pangunahing tinutukoy ng electrostatic interaction.

Tinutukoy ng mga intermolecular hydrogen bond ang pagkakaugnay ng mga organikong compound, tulad ng mga alkohol.

Ang mga hydrogen bond ay nakakaapekto sa pisikal (mga punto ng kumukulo at natutunaw, lagkit, spectral na katangian) at kemikal (acid-base) na mga katangian ng mga compound. Kaya, ang kumukulong punto ng ethanol ay C 2 H 5 Ang OH (78.3°C) ay higit na mataas kaysa sa dimethyl ether CH 3 OCH 3 (-24°C), na may parehong molecular weight at hindi nauugnay sa pamamagitan ng hydrogen bonds.

Ang mga hydrogen bond ay maaari ding maging intramolecular. Ang bond na ito sa salicylic acid anion ay humahantong sa pagtaas ng acidity nito.

Ang mga bono ng hydrogen ay may mahalagang papel sa pagbuo ng spatial na istraktura ng mga high-molecular compound - mga protina, polysaccharides, nucleic acid.

2.3. Mga sistema ng conjugate

Ang isang covalent bond ay maaaring ma-localize o ma-delocalize. Ang isang naisalokal na bono ay isa na ang mga electron ay aktwal na ibinabahagi sa pagitan ng dalawang nuclei ng mga nakagapos na atomo. Kung ang mga bonding electron ay ibinahagi sa pagitan ng higit sa dalawang nuclei, pagkatapos ay nagsasalita sila ng isang delokalisado na bono.

Ang isang delocalized bond ay isang covalent bond na ang molecular orbital ay sumasaklaw ng higit sa dalawang atoms.

Ang mga na-delokyal na bono sa karamihan ng mga kaso ay mga π na bono. Ang mga ito ay katangian ng mga pinagsamang sistema. Sa mga sistemang ito, nangyayari ang isang espesyal na uri ng mutual na impluwensya ng mga atomo—conjugation.

Conjugation (mesomerism, mula sa Griyego. mesos- average) ay ang pagkakahanay ng mga bono at mga singil sa isang tunay na molekula (particle) kung ihahambing sa isang perpekto, ngunit hindi umiiral na istraktura.

Ang mga delokalisadong p-orbital na kasangkot sa conjugation ay maaaring kabilang sa dalawa o higit pang π-bond, o isang π-bond at isang atom na may p-orbital. Alinsunod dito, ang pagkakaiba ay ginawa sa pagitan ng π,π-conjugation at ρ,π-conjugation. Ang conjugation system ay maaaring bukas o sarado at naglalaman hindi lamang ng mga carbon atom, kundi pati na rin ng mga heteroatom.

2.3.1. Buksan ang mga sistema ng circuit

π,π -Pagpapares. Ang pinakasimpleng kinatawan ng π,π-conjugated system na may carbon chain ay butadiene-1,3 (Larawan 2.6, a). Ang carbon at hydrogen atoms at, dahil dito, ang lahat ng σ bond sa molekula nito ay nasa iisang eroplano, na bumubuo ng flat σ skeleton. Ang mga carbon atom ay nasa estado ng sp 2 hybridization. Ang unhybridized p-AOs ng bawat carbon atom ay matatagpuan patayo sa eroplano ng σ-skeleton at parallel sa isa't isa, na isang kinakailangang kondisyon para sa kanilang overlap. Ang overlap ay nangyayari hindi lamang sa pagitan ng p-AO ng mga atomo C-1 at C-2, C-3 at C-4, kundi pati na rin sa pagitan ng p-AO ng mga atomo C-2 at C-3, na nagreresulta sa pagbuo ng isang solong π sumasaklaw sa apat na carbon atoms -system, ibig sabihin, lumilitaw ang isang delocalized covalent bond (tingnan ang Fig. 2.6, b).

kanin. 2.6.Atomic orbital model ng 1,3 butadiene molecule

Ito ay makikita sa mga pagbabago sa mga haba ng bono sa molekula. Ang haba ng C-1-C-2 pati na rin ng C-3-C-4 na mga bono sa 1,3-butadiene ay bahagyang nadagdagan, at ang distansya sa pagitan ng C-2 at C-3 ay pinaikli kumpara sa maginoo na doble at solong bono. Sa madaling salita, ang proseso ng delokalisasi ng elektron ay humahantong sa pagkakapantay-pantay ng mga haba ng bono.

Ang mga hydrocarbon na may malaking bilang ng mga conjugated double bond ay karaniwan sa mundo ng halaman. Kabilang dito, halimbawa, ang mga carotenes, na tumutukoy sa kulay ng mga karot, kamatis, atbp.

Ang isang bukas na sistema ng conjugation ay maaari ding magsama ng mga heteroatom. Isang halimbawa ng bukas π,π-conjugated system na may heteroatom sa chain Maaaring magsilbi ang α,β-unsaturated carbonyl compounds. Halimbawa, ang pangkat ng aldehyde sa acrolein CH 2 Ang =CH-CH=O ay isang kalahok sa conjugation chain ng tatlong sp 2 -hybridized carbon atoms at isang oxygen atom. Ang bawat isa sa mga atom na ito ay nag-aambag ng isang p-electron sa isang solong π-system.

pn-Pagpapares.Ang ganitong uri ng conjugation ay kadalasang nangyayari sa mga compound na naglalaman ng structural fragment -CH=CH-X, kung saan ang X ay isang heteroatom na mayroong nag-iisang pares ng mga electron (pangunahing O o N). Kabilang dito, halimbawa, ang mga vinyl ether, sa mga molekula kung saan pinagsama ang dobleng bono R-orbital ng oxygen atom. Ang isang delokalisadong three-center bond ay nabuo sa pamamagitan ng pag-overlay ng dalawang p-AO sp 2 -hybridized carbon atoms at isa R-AO ng isang heteroatom na may isang pares ng n-electron.

Ang pagbuo ng isang katulad na delocalized na tatlong-gitnang bono ay nangyayari sa pangkat ng carboxyl. Dito, ang π-electrons ng C=O bond at ang n-electrons ng oxygen atom ng OH group ay lumahok sa conjugation. Ang mga conjugated system na may ganap na nakahanay na mga bono at mga singil ay kinabibilangan ng mga species na may negatibong charge, gaya ng acetate ion.

Ang direksyon ng paglilipat ng density ng elektron ay ipinahiwatig ng isang hubog na arrow.

May iba pang mga graphical na paraan upang ipakita ang mga resulta ng pagpapares. Kaya, ang istraktura ng acetate ion (I) ay ipinapalagay na ang singil ay pantay na ipinamamahagi sa parehong mga atomo ng oxygen (tulad ng ipinapakita sa Fig. 2.7, na totoo).

Ang mga istruktura (II) at (III) ay ginagamit sa resonance theory. Ayon sa teoryang ito, ang isang tunay na molekula o particle ay inilalarawan ng isang hanay ng ilang mga tinatawag na resonance structures, na naiiba sa bawat isa lamang sa pamamahagi ng mga electron. Sa conjugated system, ang pangunahing kontribusyon sa resonance hybrid ay ginawa ng mga istruktura na may iba't ibang distribusyon ng π-electron density (ang double-sided arrow na nagkokonekta sa mga istrukturang ito ay isang espesyal na simbolo ng resonance theory).

Ang mga istruktura ng limitasyon (hangganan) ay hindi talaga umiiral. Gayunpaman, sa isang antas o iba pa, sila ay "nag-aambag" sa tunay na pamamahagi ng densidad ng elektron sa isang molekula (particle), na kinakatawan bilang isang resonant hybrid na nakuha sa pamamagitan ng superposition ng mga naglilimita sa mga istruktura.

Sa ρ,π-conjugated system na may carbon chain, maaaring mangyari ang conjugation kung mayroong carbon atom na may non-hybridized p-orbital sa tabi ng π bond. Ang ganitong mga sistema ay maaaring maging mga intermediate na particle - mga carbanion, carbocation, libreng radical, halimbawa, na may isang allylic na istraktura. Ang mga libreng radical allylic moieties ay may mahalagang papel sa mga proseso ng lipid peroxidation.

Sa allyl anion CH 2 = CH-CH 2 sp 2 -hybridized carbon atom C-3 supply sa karaniwang conjugate

kanin. 2.7.Mapa ng density ng elektron ng pangkat ng COONa sa penicillin

sistema ng dalawang electron, sa allylic radical CH 2 =CH-CH 2+ - isa, at sa allylic carbocation CH 2 =CH-CH 2+ hindi nagsusuplay ng anuman. Bilang resulta, kapag ang p-AO ng tatlong sp 2 -hybridized carbon atoms ay nagsasapawan, ang isang delocalized three-center bond ay nabuo na naglalaman ng apat (sa carbanion), tatlo (sa free radical) at dalawa (sa carbocation) na mga electron , ayon sa pagkakabanggit.

Sa pormal na paraan, ang C-3 atom sa allyl cation ay nagdadala ng isang positibong singil, sa allyl radical ito ay nagdadala ng isang hindi pares na elektron, at sa allyl anion ito ay nagdadala ng isang negatibong singil. Sa katunayan, sa naturang conjugated system mayroong delokalisasi (dispersal) ng density ng elektron, na humahantong sa pagkakahanay ng mga bono at singil. Ang mga atomo ng C-1 at C-3 sa mga sistemang ito ay katumbas. Halimbawa, sa isang allyl cation, ang bawat isa sa kanila ay may positibong singil+1/2 at ito ay konektado ng isa at kalahating bono sa C-2 atom.

Kaya, ang conjugation ay nagreresulta sa isang makabuluhang pagkakaiba sa distribusyon ng density ng elektron sa mga tunay na istruktura kumpara sa mga istruktura na inilalarawan ng mga kumbensyonal na formula ng istraktura.

2.3.2. Mga closed-loop system

Ang mga cyclic conjugated system ay may malaking interes bilang isang pangkat ng mga compound na may mas mataas na thermodynamic stability kumpara sa conjugated open system. Ang mga compound na ito ay mayroon ding iba pang mga espesyal na katangian, ang kabuuan nito ay pinagsama ng pangkalahatang konsepto aromaticity. Kabilang dito ang kakayahan ng naturang pormal na unsaturated compound

makisali sa mga reaksyon ng pagpapalit sa halip na karagdagan, paglaban sa mga ahente ng oxidizing at temperatura.

Ang mga karaniwang kinatawan ng mga aromatic system ay arene at ang kanilang mga derivatives. Ang mga kakaibang katangian ng elektronikong istraktura ng aromatic hydrocarbons ay malinaw na ipinakita sa atomic orbital model ng benzene molecule. Ang balangkas ng benzene ay nabuo ng anim na sp 2 -hybridized carbon atoms. Ang lahat ng σ bond (C-C at C-H) ay nasa iisang eroplano. Anim na unhybridized p-AOs ay matatagpuan patayo sa eroplano ng molekula at parallel sa bawat isa (Larawan 2.8, a). Ang bawat isa R-Ang AO ay maaaring pantay na magkakapatong sa dalawang magkatabi R-AO. Bilang resulta ng naturang overlap, lumitaw ang isang solong delocalized π-system, ang pinakamataas na density ng elektron kung saan matatagpuan sa itaas at ibaba ng eroplano ng σ-skeleton at sumasaklaw sa lahat ng carbon atoms ng cycle (tingnan ang Fig. 2.8, b) . Ang π-Electron density ay pantay na ipinamamahagi sa buong cyclic system, na ipinahiwatig ng isang bilog o may tuldok na linya sa loob ng cycle (tingnan ang Fig. 2.8, c). Ang lahat ng mga bono sa pagitan ng mga carbon atom sa benzene ring ay may parehong haba (0.139 nm), intermediate sa pagitan ng mga haba ng single at double bond.

Batay sa mga kalkulasyon ng quantum mechanical, itinatag na para sa pagbuo ng naturang mga matatag na molekula, ang isang flat cyclic system ay dapat maglaman ng (4n + 2) π-electrons, kung saan n= 1, 2, 3, atbp. (Hückel's rule, 1931). Isinasaalang-alang ang mga datos na ito, maaaring tukuyin ang konsepto ng "aromaticity".

Ang tambalan ay mabango kung mayroon itong planar ring at conjugateπ -electronic system na sumasaklaw sa lahat ng atoms ng cycle at naglalaman(4n+ 2) π-mga electron.

Nalalapat ang panuntunan ni Hückel sa anumang planar condensed system kung saan walang mga atomo na pinagsasaluhan ng higit sa

kanin. 2.8.Atomic na orbital model ng benzene molecule (hydrogen atoms inalis; paliwanag sa text)

dalawang cycle. Ang mga compound na may condensed benzene ring, tulad ng naphthalene at iba pa, ay nakakatugon sa pamantayan para sa aromaticity.

Katatagan ng mga pinagsamang sistema. Ang pagbuo ng isang conjugated at lalo na aromatic system ay isang masiglang kanais-nais na proseso, dahil pinapataas nito ang antas ng overlap ng mga orbital at nangyayari ang delokalisasi (dispersal). R-mga electron. Kaugnay nito, ang mga conjugated at aromatic system ay nadagdagan ang thermodynamic stability. Naglalaman ang mga ito ng isang mas maliit na supply ng panloob na enerhiya at sa ground state ay sumasakop sa isang mas mababang antas ng enerhiya kumpara sa mga non-conjugated system. Mula sa pagkakaiba sa pagitan ng mga antas na ito, maaaring mabilang ang termodinamikong katatagan ng conjugated compound, ibig sabihin, ang conjugation energy(enerhiya ng delokalisasi). Para sa butadiene-1,3 ito ay maliit at humigit-kumulang 15 kJ/mol. Habang tumataas ang haba ng conjugated chain, tumataas ang conjugation energy at, nang naaayon, ang thermodynamic stability ng mga compound. Ang conjugation energy para sa benzene ay mas mataas at umaabot sa 150 kJ/mol.

2.4. Mga elektronikong epekto ng mga substituent 2.4.1. Inductive effect

Ang isang polar σ bond sa isang molekula ay nagdudulot ng polarisasyon ng mga kalapit na σ bond at humahantong sa paglitaw ng mga bahagyang singil sa mga kalapit na atomo*.

Ang mga substituent ay nagdudulot ng polariseysyon hindi lamang ng kanilang sarili, kundi pati na rin ng mga kalapit na σ-bond. Ang ganitong uri ng paglipat ng impluwensya ng mga atomo ay tinatawag na inductive effect (/-effect).

Ang inductive effect ay ang paglipat ng elektronikong impluwensya ng mga substituent bilang resulta ng pag-aalis ng mga electron ng σ bond.

Dahil sa mahinang polarizability ng σ bond, ang inductive effect ay kumukupas pagkatapos ng tatlo o apat na bond sa circuit. Ang epekto nito ay pinaka-binibigkas na may kaugnayan sa carbon atom na katabi ng isa na may substituent. Ang direksyon ng inductive effect ng substituent ay qualitatively assessed sa pamamagitan ng paghahambing nito sa hydrogen atom, ang inductive effect na kung saan ay kinuha na zero. Sa graphically, ang resulta ng /-effect ay kinakatawan ng isang arrow na tumutugma sa posisyon ng valence line at tumuturo patungo sa mas electronegative atom.

/V\mas malakas kaysa sa hydrogen atom, nagpapakitanegatiboinductive effect (-/- effect).

Ang ganitong mga substituent sa pangkalahatan ay binabawasan ang density ng elektron ng system; sila ay tinatawag pag-withdraw ng elektron. Kabilang dito ang karamihan sa mga functional na grupo: OH, NH 2, COOH, NO 2 at mga cationic group, halimbawa -NH 3+.

Isang substituent na nagbabago sa density ng elektron kumpara sa hydrogen atomσ -mga bono patungo sa carbon atom ng chain, exhibitspositiboinductive effect (+/- effect).

Ang ganitong mga substituent ay nagpapataas ng density ng elektron sa chain (o singsing) at tinatawag donor ng elektron. Kabilang dito ang mga pangkat ng alkyl na matatagpuan sa sp 2 -hybridized na carbon atom, at mga anionic na sentro sa mga naka-charge na particle, halimbawa -O -.

2.4.2. Mesomeric effect

Sa mga conjugated system, ang mga π-electron ng delocalized covalent bond ay gumaganap ng pangunahing papel sa paghahatid ng elektronikong impluwensya. Ang epekto na ipinakita sa isang pagbabago sa density ng elektron ng isang delokalisado (conjugated) π-system ay tinatawag na mesomeric (M-effect), o conjugation effect.

Ang mesomeric effect ay ang paglipat ng elektronikong impluwensya ng mga substituent sa pamamagitan ng conjugated system.

Sa kasong ito, ang representante mismo ay isang kalahok sa pinagsamang sistema. Maaari itong ipasok sa conjugation system alinman sa isang π-bond (carbonyl, carboxyl groups, atbp.), o isang solong pares ng heteroatom electron (amino at hydroxy groups), o isang bakanteng o isang-electron-filled na p-AO.

Ang isang substituent na nagpapataas ng density ng elektron sa isang conjugated system ay nagpapakitapositibomesomeric effect (+M- effect).

Ang M-effect ay ipinapakita ng mga substituent na kinabibilangan ng mga atom na may nag-iisang pares ng mga electron (halimbawa, isang amino group sa isang aniline molecule) o isang buong negatibong singil. Ang mga substituent na ito ay may kakayahan

sa paglipat ng isang pares ng mga electron sa isang karaniwang conjugate system, i.e. sila donor ng elektron.

Ang isang substituent na nagpapababa ng density ng elektron sa isang conjugated system ay nagpapakitanegatibomesomeric effect (-M- effect).

Ang M-effect sa isang conjugated system ay sanhi ng oxygen o nitrogen atoms na naka-link ng double bond sa isang carbon atom, gaya ng ipinapakita sa halimbawa ng acrylic acid at benzaldehyde. Ang mga ganitong grupo ay pag-withdraw ng elektron.

Ang paglilipat ng density ng elektron ay ipinahiwatig ng isang hubog na arrow, ang simula nito ay nagpapakita kung aling mga p o π na mga electron ang inilipat, at ang dulo nito ay nagpapakita ng bono o atom kung saan sila displaced. Ang mesomeric effect, sa kaibahan sa inductive effect, ay ipinapadala sa pamamagitan ng isang sistema ng conjugated bond sa isang mas malaking distansya.

Kapag tinatasa ang impluwensya ng mga substituent sa pamamahagi ng density ng elektron sa isang molekula, kinakailangang isaalang-alang ang nagresultang epekto ng inductive at mesomeric effects (Talahanayan 2.2).

Talahanayan 2.2.Mga elektronikong epekto ng ilang mga substituent

Ginagawang posible ng mga elektronikong epekto ng mga substituent na masuri nang husay ang pamamahagi ng density ng elektron sa isang molekulang hindi tumutugon at mahulaan ang mga katangian nito.

Iba't ibang inorganic at organic na mga sangkap

Ang organikong kimika ay kimika mga compound ng carbon. Kabilang sa mga di-organikong carbon compound ang: carbon oxides, carbonic acid, carbonates at bicarbonates, carbides. Mga organikong sangkap maliban sa carbon naglalaman ng hydrogen, oxygen, nitrogen, phosphorus, sulfur at iba pang mga elemento. Ang mga carbon atom ay maaaring bumuo ng mahabang walang sanga at branched na mga kadena, singsing, at nakakabit ng iba pang mga elemento, kaya ang bilang ng mga organikong compound ay malapit sa 20 milyon, habang ang mga di-organikong sangkap ay humigit-kumulang 100 libo.

Ang batayan para sa pagbuo ng organikong kimika ay ang teorya ng istraktura ng mga organikong compound ni A. M. Butlerov. Ang isang mahalagang papel sa paglalarawan ng istraktura ng mga organikong compound ay kabilang sa konsepto ng valency, na nagpapakilala sa kakayahan ng mga atomo na bumuo ng mga bono ng kemikal at tinutukoy ang kanilang bilang. Carbon sa mga organikong compound laging tetravalent. Ang pangunahing postulate ng teorya ng A. M. Butlerov ay ang posisyon sa kemikal na istraktura ng bagay, i.e. kemikal na bono. Ang order na ito ay ipinapakita gamit ang mga structural formula. Ang teorya ni Butlerov ay nagsasaad ng ideya na mayroon ang bawat sangkap tiyak na istraktura ng kemikal At Ang mga katangian ng mga sangkap ay nakasalalay sa istraktura.

Teorya ng kemikal na istraktura ng mga organikong compound ni A. M. Butlerov

Tulad ng para sa inorganic na kimika ang batayan ng pag-unlad ay ang Periodic Law at ang Periodic Table of Chemical Elements ng D.I. Mendeleev, para sa organic chemistry ito ay naging pundamental.

Teorya ng kemikal na istraktura ng mga organikong compound ni A. M. Butlerov

Ang pangunahing postulate ng teorya ni Butlerov ay ang posisyon sa kemikal na istraktura ng bagay, na nangangahulugang ang pagkakasunud-sunod, ang pagkakasunud-sunod ng magkaparehong koneksyon ng mga atomo sa mga molekula, i.e. kemikal na dumidikit.

Kemikal na istraktura- ang pagkakasunud-sunod ng koneksyon ng mga atomo ng mga elemento ng kemikal sa isang molekula ayon sa kanilang valence.

Ang pagkakasunud-sunod na ito ay maaaring ipakita gamit ang mga istrukturang formula kung saan ang mga valencies ng mga atom ay ipinahiwatig ng mga gitling: ang isang linya ay tumutugma sa yunit ng valence ng isang atom ng isang elemento ng kemikal. Halimbawa, para sa organikong sangkap na methane, na mayroong molecular formula CH 4, ganito ang structural formula:

Ang mga pangunahing probisyon ng teorya ng A. M. Butlerov:

Ang mga atomo sa mga organikong molekula ay nakagapos sa isa't isa ayon sa kanilang valency. Ang carbon sa mga organikong compound ay palaging tetravalent, at ang mga atomo nito ay nakakapagsama sa isa't isa, na bumubuo ng iba't ibang mga kadena.

· Ang mga katangian ng mga sangkap ay tinutukoy hindi lamang sa pamamagitan ng kanilang husay at dami na komposisyon, kundi pati na rin sa pagkakasunud-sunod ng koneksyon ng mga atomo sa molekula, i.e. kemikal na istraktura ng isang sangkap.

· Ang mga katangian ng mga organikong compound ay nakasalalay hindi lamang sa komposisyon ng sangkap at sa pagkakasunud-sunod ng koneksyon ng mga atomo sa molekula nito, kundi pati na rin sa kapwa impluwensya ng mga atomo at mga pangkat ng mga atom sa ibabaw ng bawat isa.

Ang teorya ng istruktura ng mga organikong compound ay isang pabago-bago at umuunlad na doktrina. Habang nabuo ang kaalaman tungkol sa likas na katangian ng mga bono ng kemikal at ang impluwensya ng elektronikong istraktura ng mga molekula ng mga organikong sangkap, nagsimula silang gumamit, bilang karagdagan sa mga empirical at istruktura, mga elektronikong formula. Ang ganitong mga formula ay nagpapakita ng direksyon pag-aalis ng mga pares ng elektron sa isang molekula.

Ang quantum chemistry at ang kimika ng istraktura ng mga organikong compound ay nakumpirma ang doktrina ng spatial na direksyon ng mga bono ng kemikal (cis- at trans isomerism), pinag-aralan ang mga katangian ng enerhiya ng mutual transition sa mga isomer, ginawang posible na hatulan ang magkaparehong impluwensya ng mga atom sa ang mga molekula ng iba't ibang mga sangkap, ay lumikha ng mga kinakailangan para sa paghula ng mga uri ng isomerismo at mga direksyon at mekanismo ng mga reaksiyong kemikal.

Ang mga organikong sangkap ay may ilang mga katangian.

· Lahat ng mga organikong sangkap ay naglalaman ng carbon at hydrogen, kaya kapag nasunog ay nabubuo ito carbon dioxide at tubig.

Organikong bagay kumplikadong binuo at maaaring magkaroon ng malaking molekular na timbang (protina, taba, carbohydrates).

· Ang mga organikong sangkap ay maaaring isaayos sa mga hanay na katulad ng komposisyon, istraktura at mga katangian mga homolog.

· Para sa mga organikong sangkap ito ay katangian isomerismo.

Isomerismo at homology ng mga organikong sangkap

Ang mga katangian ng mga organikong sangkap ay nakasalalay hindi lamang sa kanilang komposisyon, kundi pati na rin sa pagkakasunud-sunod ng koneksyon ng mga atomo sa isang molekula.

Isomerismo- ito ang kababalaghan ng pagkakaroon ng iba't ibang mga sangkap - mga isomer na may parehong husay at dami na komposisyon, i.e. na may parehong pormula ng molekula.

Mayroong dalawang uri ng isomerism: istruktura at spatial(stereoisomerism). Ang mga istrukturang isomer ay naiiba sa bawat isa sa pagkakasunud-sunod ng pagbubuklod ng mga atomo sa molekula; stereoisomer - ang pagkakaayos ng mga atomo sa espasyo na may parehong pagkakasunud-sunod ng mga bono sa pagitan nila.

Mga pangunahing uri ng isomerism:

· Structural isomerism - ang mga sangkap ay naiiba sa pagkakasunud-sunod ng pagbubuklod ng mga atomo sa mga molekula:

1) isomerism ng carbon skeleton;

2) posisyon isomerismo:

• maramihang mga bono;
• mga kinatawan;
• panksyunal na grupo;

3) isomerism ng homologous series (interclass).

· Spatial isomerism - ang mga molekula ng mga sangkap ay hindi naiiba sa pagkakasunud-sunod ng pagbubuklod ng mga atomo, ngunit sa kanilang posisyon sa espasyo: cis-, trans-isomerism (geometric).

Pag-uuri ng mga organikong sangkap

Ito ay kilala na ang mga katangian ng mga organikong sangkap ay tinutukoy ng kanilang komposisyon at istraktura ng kemikal. Samakatuwid, hindi nakakagulat na ang pag-uuri ng mga organikong compound ay batay sa teorya ng istraktura - ang teorya ng A. M. Butlerov. Ang mga organikong sangkap ay inuri ayon sa presensya at pagkakasunud-sunod ng koneksyon ng mga atomo sa kanilang mga molekula. Ang pinaka-matibay at hindi gaanong nababago na bahagi ng molekula ng isang organikong sangkap ay ang nito balangkas - chain ng carbon atoms. Depende sa pagkakasunud-sunod ng koneksyon ng mga carbon atoms sa chain na ito, nahahati ang mga sangkap sa acyclic, hindi naglalaman ng mga saradong kadena ng mga carbon atom sa mga molekula, at carbocyclic naglalaman ng mga naturang kadena (cycle) sa mga molekula.

Bilang karagdagan sa mga atomo ng carbon at hydrogen, ang mga molekula ng mga organikong sangkap ay maaaring maglaman ng mga atomo ng iba pang mga elemento ng kemikal. Ang mga sangkap kung saan ang mga molekula ay kasama ang tinatawag na heteroatom na ito sa isang saradong kadena ay inuri bilang mga heterocyclic compound.

Mga heteroatom(oxygen, nitrogen, atbp.) ay maaaring maging bahagi ng mga molekula at acyclic compound, na bumubuo ng mga functional na grupo sa kanila, halimbawa,

hydroxyl

carbonyl

,

carboxyl

,

pangkat ng amino

.

Functional na grupo- isang pangkat ng mga atomo na tumutukoy sa pinakakatangiang katangian ng kemikal ng isang sangkap at ang pag-aari nito sa isang tiyak na klase ng mga compound.

Nomenclature ng mga organic compound

Sa simula ng pagbuo ng organikong kimika, ang mga compound na matutuklasan ay itinalaga walang kuwentang pangalan, madalas na nauugnay sa kasaysayan ng kanilang produksyon: acetic acid (na siyang batayan ng suka ng alak), butyric acid (nabuo sa mantikilya), glycol (i.e. "matamis"), atbp. Habang dumarami ang bilang ng mga bagong natuklasang sangkap, ang kailangan lumitaw iugnay ang mga pangalan sa kanilang istraktura. Ganito lumitaw ang mga makatwirang pangalan: methylamine, diethylamine, ethyl alcohol, methyl ethyl ketone, na batay sa pangalan ng pinakasimpleng compound. Para sa mas kumplikadong mga compound, ang rational nomenclature ay hindi angkop.

Ang teorya ng istraktura ng A. M. Butlerov ay nagbigay ng batayan para sa pag-uuri at nomenclature ng mga organikong compound ayon sa mga elemento ng istruktura at ang pag-aayos ng mga carbon atom sa molekula. Sa kasalukuyan, ang pinakakaraniwang ginagamit na nomenclature ay binuo ni International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), na tinatawag na nomenclature IUPAC. Inirerekomenda ng mga panuntunan ng IUPAC ang ilang mga prinsipyo para sa pagbuo ng mga pangalan, isa sa mga ito ay ang prinsipyo ng pagpapalit. Batay dito, nabuo ang isang kapalit na nomenclature, na siyang pinaka-unibersal. Ipakita natin ang ilang mga pangunahing patakaran ng substitutive nomenclature at isaalang-alang ang kanilang aplikasyon gamit ang halimbawa ng isang heterofunctional compound na naglalaman ng dalawang functional na grupo - ang amino acid leucine:

1. Ang mga pangalan ng mga compound ay batay sa istraktura ng magulang (ang pangunahing kadena ng isang acyclic molecule, isang carbocyclic o heterocyclic system). Ang pangalan ng istraktura ng magulang ay bumubuo ng batayan ng pangalan, ang ugat ng salita.

Sa kasong ito, ang istraktura ng magulang ay isang kadena ng limang carbon atoms na konektado ng mga solong bono. Kaya, ang ugat na bahagi ng pangalan ay pentane.

2. Ang mga pangkat ng katangian at mga substituent (mga elemento ng istruktura) ay itinalaga ng mga prefix at suffix. Ang mga pangkat ng katangian ay nahahati sa seniority. Pagkakasunod-sunod ng mga pangunahing grupo:

Natukoy ang pangkat ng senior na katangian, na itinalaga sa suffix. Ang lahat ng iba pang mga substituent ay pinangalanan sa prefix sa alphabetical order.

Sa kasong ito, ang pangkat ng senior na katangian ay carboxyl, ibig sabihin, ang tambalang ito ay kabilang sa klase ng mga carboxylic acid, kaya idinagdag namin ang -ic acid sa radikal na bahagi ng pangalan. Ang pangalawang pinakamatandang grupo ay ang amino group, na itinalaga ng prefix na amino-. Bilang karagdagan, ang molekula ay naglalaman ng hydrocarbon substituent methyl-. Kaya, ang batayan ng pangalan ay aminomethylpentanoic acid.

3. Kasama sa pangalan ang pagtatalaga ng doble at triple na bono, na dumarating kaagad pagkatapos ng ugat.

Ang pinag-uusapang tambalan ay hindi naglalaman ng maraming mga bono.

4. Ang mga atomo ng istraktura ng magulang ay binibilang. Nagsisimula ang pagnumero mula sa dulo ng carbon chain kung saan matatagpuan ang pinakamataas na pangkat ng katangian na pinakamalapit:

Ang pag-numero ng chain ay nagsisimula sa carbon atom na bahagi ng carboxyl group, ito ay nakatalaga sa numero 1. Sa kasong ito, ang amino group ay nasa carbon 2, at ang methyl group ay nasa carbon 4.

Kaya, ang natural na amino acid na leucine, ayon sa mga patakaran ng IUPAC nomenclature, ay tinatawag na 2-amino-4-methylpentanoic acid.

Hydrocarbon. Pag-uuri ng mga hydrocarbon

Hydrocarbon- Ito ay mga compound na binubuo lamang ng hydrogen at carbon atoms.

Depende sa istraktura ng carbon chain, ang mga organic compound ay nahahati sa open-chain compound - acyclic(aliphatic) at paikot- na may saradong kadena ng mga atomo.

Ang mga cyclic ay nahahati sa dalawang grupo: mga carbocyclic compound(Ang mga siklo ay nabuo lamang ng mga atomo ng carbon) at heterocyclic(kasama rin sa mga cycle ang iba pang mga atom, tulad ng oxygen, nitrogen, sulfur).

Ang mga carbocyclic compound, naman, ay kinabibilangan ng dalawang serye ng mga compound: alicyclic At mabango.

Ang mga aromatic compound batay sa molekular na istraktura ay mayroon mga flat carbon-containing cycle na may espesyal na saradong sistema ng mga p-electron, na bumubuo ng isang karaniwang π-system (isang solong π-electron cloud). Ang aromaticity ay katangian din ng maraming heterocyclic compound.

Ang lahat ng iba pang mga carbocyclic compound ay nabibilang sa alicyclic series.

Parehong acyclic (aliphatic) at cyclic hydrocarbons ay maaaring maglaman ng maramihang (double o triple) bond. Ang ganitong mga hydrocarbon ay tinatawag walang limitasyon(unsaturated) sa kaibahan sa nililimitahan (saturated), na naglalaman lamang ng mga solong bono.

Ang mga saturated aliphatic hydrocarbon ay tinatawag alkanes, mayroon silang pangkalahatang formula C n H 2n+2, kung saan ang n ay ang bilang ng mga carbon atom. Ang kanilang lumang pangalan ay madalas na ginagamit ngayon - mga paraffin:

Ang unsaturated aliphatic hydrocarbons na naglalaman ng isang double bond ay tinatawag mga alkenes. Mayroon silang pangkalahatang formula C n H 2n:

Ang unsaturated aliphatic hydrocarbons na may dalawang double bond ay tinatawag alkadienes. Ang kanilang pangkalahatang formula ay C n H 2n-2:

Ang unsaturated aliphatic hydrocarbons na may isang triple bond ay tinatawag alkynes. Ang kanilang pangkalahatang formula ay C n H 2n - 2:

Saturated alicyclic hydrocarbons - cycloalkanes, ang kanilang pangkalahatang formula ay C n H 2n:

Isang espesyal na grupo ng mga hydrocarbon, aromatic, o mga arena(na may saradong karaniwang n-electronic system), na kilala mula sa halimbawa ng mga hydrocarbon na may pangkalahatang formula C n H 2n - 6:

Kaya, kung sa kanilang mga molekula ang isa o higit pang mga hydrogen atom ay pinalitan ng iba pang mga atomo o grupo ng mga atomo (halogens, hydroxyl group, amino group, atbp.), Ang mga hydrocarbon derivatives ay nabuo: halogen derivatives, oxygen-containing, nitrogen-containing at iba pa. mga organikong compound.

Homologous na serye ng hydrocarbons

Ang mga hydrocarbon at ang kanilang mga derivatives na may parehong functional group ay bumubuo ng homologous series.

Homologous na serye pangalanan ang isang serye ng mga compound na kabilang sa parehong klase (homologues), na nakaayos sa pagtaas ng pagkakasunud-sunod ng kanilang mga kamag-anak na molekular na masa, katulad sa istraktura at mga katangian ng kemikal, kung saan ang bawat miyembro ay naiiba mula sa nauna sa pamamagitan ng homologous na pagkakaiba CH 2. Halimbawa: CH 4 - methane, C 2 H 6 - ethane, C 3 H 8 - propane, C 4 H 10 - butane, atbp. Ang pagkakapareho ng mga kemikal na katangian ng mga homologue ay lubos na nagpapadali sa pag-aaral ng mga organikong compound.

Hydrocarbon isomers

Ang mga atomo o grupo ng mga atomo na tumutukoy sa pinakakatangiang katangian ng isang partikular na klase ng mga sangkap ay tinatawag panksyunal na grupo.

Ang mga halogen derivatives ng hydrocarbons ay maaaring ituring bilang mga produkto ng pagpapalit ng isa o higit pang hydrogen atoms sa hydrocarbons na may halogen atoms. Alinsunod dito, maaaring may hangganan at unsaturated na mono-, di-, tri- (sa pangkalahatang kaso poly-) mga halogen derivatives.

Pangkalahatang formula ng monohalogen derivatives ng saturated hydrocarbons:

at ang komposisyon ay ipinahayag ng pormula

kung saan ang R ay ang natitira sa isang saturated hydrocarbon (alkane), isang hydrocarbon radical (ang pagtatalaga na ito ay ginagamit pa kapag isinasaalang-alang ang iba pang mga klase ng mga organikong sangkap), ang G ay isang halogen atom (F, Cl, Br, I).

Halimbawa:

Narito ang isang halimbawa ng isang hinalogen derivative:

SA mga organikong sangkap na naglalaman ng oxygen isama ang mga alkohol, phenol, aldehydes, ketone, carboxylic acid, eter at ester. Ang mga alkohol ay mga derivatives ng hydrocarbons kung saan ang isa o higit pang mga hydrogen atom ay pinapalitan ng mga hydroxyl group.

Ang mga alkohol ay tinatawag na monohydric kung mayroon silang isang hydroxyl group, at saturated kung sila ay mga derivatives ng alkanes.

Pangkalahatang formula para sa limitasyon mga monohydric na alkohol:

at ang kanilang komposisyon ay ipinahayag ng pangkalahatang pormula:

Halimbawa:

Mga kilalang halimbawa polyhydric na alkohol, ibig sabihin, pagkakaroon ng ilang pangkat ng hydroxyl:

Phenols- mga derivatives ng aromatic hydrocarbons (serye ng benzene), kung saan ang isa o higit pang mga hydrogen atoms sa benzene ring ay pinalitan ng mga hydroxyl group.

Ang pinakasimpleng kinatawan na may formula C 6 H 5 OH o

tinatawag na phenol.

Aldehydes at ketones- derivatives ng hydrocarbons na naglalaman ng carbonyl group ng mga atoms

(carbonyl).

Sa mga molekula aldehydes ang isang carbonyl bond ay napupunta upang pagsamahin sa isang hydrogen atom, ang isa pa - na may isang hydrocarbon radical. Pangkalahatang formula ng aldehydes:

Halimbawa:

Kailan ketones ang pangkat ng carbonyl ay konektado sa dalawang (karaniwan ay magkaiba) na mga radikal, ang pangkalahatang pormula ng mga ketone ay:

Halimbawa:

Ang komposisyon ng saturated aldehydes at ketones ay ipinahayag ng formula C 2n H 2n O.

Mga carboxylic acid- mga hydrocarbon derivatives na naglalaman ng mga carboxyl group

(o -COOH).

Kung mayroong isang pangkat ng carboxyl sa isang molekula ng acid, kung gayon ang carboxylic acid ay monobasic. Pangkalahatang pormula ng mga saturated monobasic acid:

Ang kanilang komposisyon ay ipinahayag ng formula C n H 2n O 2.

Halimbawa:

Mga Ether ay mga organikong sangkap na naglalaman ng dalawang hydrocarbon radical na konektado ng oxygen atom: R-O-R o R 1 -O-R 2.

Ang mga radikal ay maaaring pareho o iba. Ang komposisyon ng mga eter ay ipinahayag ng formula C n H 2n+2 O.

Halimbawa:

Ester- mga compound na nabuo sa pamamagitan ng pagpapalit ng hydrogen atom ng carboxyl group sa mga carboxylic acid na may hydrocarbon radical.

Pangkalahatang formula ng mga ester:

Halimbawa:

Mga compound ng Nitro- derivatives ng hydrocarbons kung saan ang isa o higit pang hydrogen atoms ay pinalitan ng isang nitro group -NO 2.

Pangkalahatang formula ng mga saturated mononitro compound:

at ang komposisyon ay ipinahayag ng pangkalahatang formula C n H 2n+1 NO 2 .

Halimbawa:

Nitro derivatives ng arenes:

Amines- mga compound na itinuturing na mga derivatives ng ammonia (NH 3), kung saan ang mga hydrogen atom ay pinapalitan ng mga hydrocarbon radical. Depende sa likas na katangian ng radical, ang mga amin ay maaaring aliphatic, halimbawa:

at mabango, halimbawa:

Depende sa bilang ng mga atomo ng hydrogen na pinalitan ng mga radikal, ang mga sumusunod ay nakikilala:

pangunahing amine na may pangkalahatang formula:

pangalawa- na may pangkalahatang formula:

tersiyaryo- na may pangkalahatang formula:

Sa isang partikular na kaso, ang pangalawang at tertiary na mga amin ay maaaring magkaroon ng parehong mga radikal.

Ang mga pangunahing amin ay maaari ding ituring bilang mga derivatives ng hydrocarbons (alkanes), kung saan ang isang hydrogen atom ay pinalitan ng isang amino group -NH 2. Ang komposisyon ng mga puspos na pangunahing amin ay ipinahayag ng formula C n H 2n + 3 N.

Halimbawa:

Ang mga amino acid ay naglalaman ng dalawang functional na grupo na konektado sa isang hydrocarbon radical: amino group -NH 2 at carboxyl -COOH.

Ang pangkalahatang formula ng α-amino acids (ang mga ito ay pinakamahalaga para sa pagbuo ng mga protina na bumubuo sa mga buhay na organismo):

Ang komposisyon ng mga saturated amino acid na naglalaman ng isang amino group at isang carboxyl ay ipinahayag ng formula C n H 2n + 1 NO 2.

Halimbawa:

Ang iba pang mahahalagang organikong compound ay kilala na may iba't ibang o magkaparehong functional na grupo, mahabang linear chain na konektado sa benzene ring. Sa ganitong mga kaso, ang isang mahigpit na pagpapasiya kung ang isang sangkap ay kabilang sa isang partikular na klase ay imposible. Ang mga compound na ito ay madalas na inuri sa mga partikular na grupo ng mga sangkap: carbohydrates, protina, nucleic acid, antibiotics, alkaloids, atbp.

Sa kasalukuyan, maraming mga compound ang kilala rin na maaaring mauri bilang parehong organic at inorganic. x ay tinatawag na organoelement compound. Ang ilan sa mga ito ay maaaring ituring bilang mga hydrocarbon derivatives.

Halimbawa:

May mga compound na may parehong molecular formula, na nagpapahayag ng komposisyon ng mga sangkap.

Ang kababalaghan ng isomerism ay maaaring mayroong maraming mga sangkap na may iba't ibang mga katangian, na may parehong komposisyon ng molekular, ngunit magkakaibang mga istraktura. Ang mga sangkap na ito ay tinatawag na isomer.

Sa aming kaso, ito ay mga interclass isomer: cycloalkanes at alkanes, alkadienes at alkynes, saturated monohydric alcohols at ethers, aldehydes at ketones, saturated monocarboxylic acids at esters.

Structural isomerism

Ang mga sumusunod na varieties ay nakikilala isomerismo ng istruktura: isomerism ng carbon skeleton, positional isomerism, isomerism ng iba't ibang klase ng organic compounds (interclass isomerism).

Ang isomerism ng carbon skeleton ay dahil sa iba't ibang pagkakasunud-sunod ng bono sa pagitan ng mga atomo ng carbon, na bumubuo ng balangkas ng molekula. Tulad ng naipakita na, ang molecular formula C 4 H 10 ay tumutugma sa dalawang hydrocarbon: n-butane at isobutane. Para sa hydrocarbon C5H12, tatlong isomer ang posible: pentane, isopentane at neopentane.

Habang tumataas ang bilang ng mga carbon atom sa isang molekula, mabilis na tumataas ang bilang ng mga isomer. Para sa hydrocarbon C 10 H 22 mayroon nang 75 sa kanila, at para sa hydrocarbon C 20 H 44 - 366,319.

Ang positional isomerism ay dahil sa iba't ibang posisyon ng multiple bond, substituent, at functional group na may parehong carbon skeleton ng molecule:

Ang isomerismo ng iba't ibang klase ng mga organikong compound (interclass isomerism) ay dahil sa iba't ibang posisyon at kumbinasyon ng mga atomo sa mga molekula ng mga sangkap na may parehong molecular formula, ngunit kabilang sa iba't ibang klase. Kaya, ang molecular formula C 6 H 12 ay tumutugma sa unsaturated hydrocarbon hexene-1 at ang cyclic hydrocarbon cyclohexane.

Ang mga isomer ay isang hydrocarbon na nauugnay sa alkynes - butine-1 at isang hydrocarbon na may dalawang double bond sa butadiene-1,3 chain:

Ang diethyl ether at butyl alcohol ay may parehong molecular formula C 4 H 10 O:

Ang mga istrukturang isomer ay aminoacetic acid at nitroethane, na naaayon sa molecular formula C 2 H 5 NO 2:

Ang mga isomer ng ganitong uri ay naglalaman ng iba't ibang mga functional na grupo at nabibilang sa iba't ibang klase ng mga sangkap. Samakatuwid, naiiba ang mga ito sa mga katangiang pisikal at kemikal kaysa sa carbon skeleton isomer o positional isomer.

Spatial isomerism

Spatial isomerism ay nahahati sa dalawang uri: geometric at optical.

Ang geometric isomerism ay katangian ng mga compound na naglalaman ng mga dobleng bono, at mga cyclic compound. Dahil imposible ang libreng pag-ikot ng mga atomo sa paligid ng double bond o sa isang singsing, ang mga substituent ay maaaring matatagpuan sa magkabilang panig ng eroplano ng double bond o ring (cis position) o sa magkabilang panig (trans position). Ang mga pagtatalagang cis at trans ay karaniwang tumutukoy sa isang pares ng magkatulad na mga substituent.

Mga geometric na isomer naiiba sa mga katangiang pisikal at kemikal.

Nagaganap ang optical isomerism kung ang molekula ay hindi tugma sa imahe nito sa salamin. Ito ay posible kapag ang carbon atom sa molekula ay may apat na magkakaibang mga substituent. Ang atom na ito ay tinatawag na asymmetric. Ang isang halimbawa ng naturang molekula ay ang molekula ng α-aminopropionic acid (α-alanine) CH 3 CH(NH 2)OH.

Ang molekula ng α-alanine ay hindi maaaring magkasabay sa imahe ng salamin nito sa anumang paggalaw. Ang ganitong mga spatial isomer ay tinatawag na salamin, optical antipodes, o enantiomer. Ang lahat ng pisikal at halos lahat ng kemikal na katangian ng naturang mga isomer ay magkapareho.

Ang pag-aaral ng optical isomerism ay kinakailangan kapag isinasaalang-alang ang maraming mga reaksyon na nagaganap sa katawan. Karamihan sa mga reaksyong ito ay nangyayari sa ilalim ng pagkilos ng mga enzyme - biological catalysts. Ang mga molekula ng mga sangkap na ito ay dapat magkasya sa mga molekula ng mga compound kung saan sila kumikilos, tulad ng isang susi sa isang lock; samakatuwid, ang spatial na istraktura, ang relatibong pag-aayos ng mga seksyon ng molekular at iba pang mga spatial na kadahilanan ay napakahalaga para sa kurso ng mga reaksyong ito. . Ang ganitong mga reaksyon ay tinatawag na stereoselective.

Karamihan sa mga natural na compound ay mga indibidwal na enantiomer, at ang kanilang mga biological na epekto (mula sa lasa at amoy hanggang sa mga epektong panggamot) ay naiiba nang husto mula sa mga katangian ng kanilang mga optical antipode na nakuha sa laboratoryo. Ang ganitong pagkakaiba sa biological na aktibidad ay may malaking kahalagahan, dahil pinagbabatayan nito ang pinakamahalagang pag-aari ng lahat ng nabubuhay na organismo - metabolismo.

Isomerismo

Elektronikong istraktura ng carbon atom

Ang carbon na nakapaloob sa mga organikong compound ay nagpapakita ng pare-parehong valence. Ang huling antas ng enerhiya ng carbon atom ay naglalaman 4 na electron, dalawa sa mga ito ay sumasakop sa isang 2s orbital, na may isang spherical na hugis, at dalawang electron ay sumasakop sa isang 2p orbital, na may isang dumbbell na hugis. Kapag nasasabik, ang isang electron mula sa 2s orbital ay maaaring lumipat sa isa sa mga bakanteng 2p orbital. Ang paglipat na ito ay nangangailangan ng ilang paggasta ng enerhiya (403 kJ/mol). Bilang resulta, ang nasasabik na carbon atom ay may 4 na hindi magkapares na mga electron at ang elektronikong pagsasaayos nito ay ipinahayag ng formula 2s 1 2p 3 .. Kaya, sa kaso ng methane hydrocarbon (CH 4), ang carbon atom ay bumubuo ng 4 na bono na may s -mga electron ng hydrogen atoms. Sa kasong ito, 1 s-s type bond (sa pagitan ng s-electron ng carbon atom at ng s-electron ng hydrogen atom) at 3 p-s bonds (sa pagitan ng 3 p-electron ng carbon atom at 3 s-electron ng 3 hydrogen atoms) ay dapat mabuo. Ito ay humahantong sa konklusyon na ang apat na covalent bond na nabuo ng carbon atom ay hindi pantay. Gayunpaman, ang praktikal na karanasan sa kimika ay nagpapahiwatig na ang lahat ng 4 na bono sa isang molekula ng methane ay ganap na katumbas, at ang molekula ng methane ay may istrukturang tetrahedral na may mga anggulo ng bono na 109.5 0, na hindi maaaring mangyari kung ang mga bono ay hindi pantay. Pagkatapos ng lahat, tanging ang mga orbital ng mga p-electron ay nakatuon sa espasyo kasama ang magkabilang patayo na mga axes x, y, z, at ang orbital ng isang s-electron ay may spherical na hugis, kaya ang direksyon ng pagbuo ng isang bono sa elektron na ito ay magiging. arbitraryo. Ang teorya ng hybridization ay nagawang ipaliwanag ang kontradiksyon na ito. Iminungkahi ni L. Polling na sa anumang mga molekula ay walang mga bono na nakahiwalay sa isa't isa. Kapag nabuo ang mga bono, ang mga orbital ng lahat ng mga electron ng valence ay magkakapatong. Ilang uri ang kilala hybridization ng electron orbitals. Ipinapalagay na sa molekula ng mitein at iba pang mga alkanes, 4 na electron ang pumapasok sa hybridization.

Hybridization ng mga orbital ng carbon atom

Orbital hybridization ay isang pagbabago sa hugis at enerhiya ng ilang mga electron sa panahon ng pagbuo ng isang covalent bond, na humahantong sa mas mahusay na orbital overlap at tumaas na lakas ng bono. Ang orbital hybridization ay nangyayari sa tuwing ang mga electron na kabilang sa iba't ibang uri ng mga orbital ay lumahok sa pagbuo ng mga bono.

1. sp 3 -hybridization(unang valence state ng carbon). Sa panahon ng sp 3 hybridization, ang 3 p orbital at one s orbital ng isang excited na carbon atom ay nakikipag-ugnayan sa paraang ang mga resultang orbital ay ganap na magkapareho sa enerhiya at simetriko na matatagpuan sa espasyo. Ang pagbabagong ito ay maaaring isulat tulad nito:

Sa panahon ng hybridization, ang kabuuang bilang ng mga orbital ay hindi nagbabago, ngunit ang kanilang enerhiya at hugis lamang ang nagbabago. Ipinakita na ang sp 3 -hybridization orbitals ay kahawig ng isang three-dimensional na figure na walo, ang isa sa mga blades ay mas malaki kaysa sa isa. Apat na hybrid na orbital ang pinalawak mula sa gitna hanggang sa mga vertex ng isang regular na tetrahedron sa mga anggulo na 109.5 0. Ang mga bono na nabuo ng mga hybrid na electron (halimbawa, isang s-sp 3 na bono) ay mas malakas kaysa sa mga bono na nabuo ng mga unhybridized na p electron (halimbawa, isang s-p bond). Dahil ang hybrid sp 3 orbital ay nagbibigay ng mas malaking lugar ng electron orbital overlap kaysa sa non-hybridized p orbital. Ang mga molekula kung saan nangyayari ang sp 3 hybridization ay may istrakturang tetrahedral. Ang mga ito, bilang karagdagan sa methane, ay kinabibilangan ng methane homologues, mga di-organikong molekula tulad ng ammonia. Ang mga figure ay nagpapakita ng isang hybridized orbital at isang tetrahedral methane molecule.

Ang mga kemikal na bono na lumabas sa methane sa pagitan ng mga atomo ng carbon at hydrogen ay may uri na σ-bond (sp 3 -s-bond). Sa pangkalahatan, ang anumang sigma bond ay nailalarawan sa katotohanan na ang densidad ng elektron ng dalawang magkakaugnay na mga atomo ay magkakapatong sa linya na nagkokonekta sa mga sentro (nuclei) ng mga atomo. Ang σ-Bonds ay tumutugma sa pinakamataas na posibleng antas ng overlap ng mga atomic orbital, kaya medyo malakas ang mga ito.

2. sp 2 -hybridization(pangalawang valence state ng carbon). Ito ay lumitaw bilang isang resulta ng overlap ng isang 2s at dalawang 2p orbital. Ang resultang sp 2 -hybrid orbitals ay matatagpuan sa parehong eroplano sa isang anggulo ng 120 0 sa bawat isa, at ang hindi hybrid na p-orbital ay patayo dito. Ang kabuuang bilang ng mga orbital ay hindi nagbabago - mayroong apat sa kanila.

Ang estado ng sp 2 hybridization ay nangyayari sa mga molekula ng alkene, sa mga pangkat ng carbonyl at carboxyl, i.e. sa mga compound na naglalaman ng double bond. Kaya, sa molekula ng ethylene, ang mga hybridized na electron ng carbon atom ay bumubuo ng 3 σ bond (dalawang sp 2 -s type bond sa pagitan ng carbon atom at hydrogen atoms at isang sp 2 -sp 2 type bond sa pagitan ng carbon atoms). Ang natitirang unhybridized p-electron ng isang carbon atom ay bumubuo ng π-bond na may unhybridized p-electron ng pangalawang carbon atom. Ang isang katangian ng π bond ay ang overlap ng mga electron orbital ay nangyayari sa labas ng linya na nagkokonekta sa dalawang atomo. Ang overlap ng mga orbital ay nangyayari sa itaas at sa ibaba ng σ bond na nagkokonekta sa parehong carbon atoms. Kaya, ang dobleng bono ay isang kumbinasyon ng σ at π na mga bono. Ang unang dalawang figure ay nagpapakita na sa ethylene molecule ang mga anggulo ng bono sa pagitan ng mga atom na bumubuo sa ethylene molecule ay 120 0 (naaayon sa spatial na oryentasyon ng tatlong sp 2 hybrid orbitals). Ang mga figure ay nagpapakita ng pagbuo ng isang π bond.

Dahil ang overlap area ng unhybridized p-orbitals sa π bonds ay mas mababa kaysa sa overlap area ng orbitals sa σ bonds, ang π bond ay hindi gaanong malakas kaysa sa σ bond at mas madaling masira sa mga kemikal na reaksyon.

3. sp hybridization(ikatlong valence state ng carbon). Sa estado ng sp-hybridization, ang carbon atom ay may dalawang sp-hybrid na orbital na matatagpuan nang linear sa isang anggulo na 180 0 sa isa't isa at dalawang di-hybridized na p-orbital na matatagpuan sa dalawang magkaparehong patayo na eroplano. Ang sp-hybridization ay katangian ng alkynes at nitriles, i.e. para sa mga compound na naglalaman ng triple bond.

Kaya, sa isang molekula ng acetylene, ang mga anggulo ng bono sa pagitan ng mga atomo ay 180 o. Ang hybridized electron ng carbon atom ay bumubuo ng 2 σ bond (isang sp-s bond sa pagitan ng carbon atom at hydrogen atom at isa pang sp-sp bond sa pagitan ng carbon atoms. Dalawang unhybridized p electron ng isang carbon atom ang bumubuo ng dalawang π bond na may unhybridized p mga electron ng pangalawang carbon atom. Ang overlap ng mga p-electron orbital ay nangyayari hindi lamang sa itaas at sa ibaba ng σ-bond, kundi pati na rin sa harap at likod, at ang kabuuang ulap ng mga p-electron ay may cylindrical na hugis. Kaya, isang triple bond ay isang kumbinasyon ng isang σ-bond at dalawang π-bond. Ang pagkakaroon sa molekula ng acetylene ng hindi gaanong malakas na dalawang π-bond ay nagsisiguro sa kakayahan ng substance na ito na pumasok sa mga reaksyon ng karagdagan na may cleavage ng triple bond.

Sangguniang materyal para sa pagkuha ng pagsusulit:

Mendeleev table

Talahanayan ng solubility

pagpapatuloy. Tingnan ang simula sa № 15, 16/2004

Aralin 5. Hybridization
carbon atomic orbitals

Ang isang covalent chemical bond ay nabuo gamit ang shared bonding electron pairs tulad ng:

Bumuo ng chemical bond, i.e. Tanging ang mga hindi magkapares na electron lamang ang maaaring lumikha ng isang karaniwang pares ng elektron na may "dayuhang" electron mula sa isa pang atom. Kapag nagsusulat ng mga elektronikong formula, ang mga hindi magkapares na electron ay matatagpuan nang paisa-isa sa isang orbital cell.
Atomic orbital ay isang function na naglalarawan sa density ng electron cloud sa bawat punto sa espasyo sa paligid ng atomic nucleus. Ang electron cloud ay isang rehiyon ng espasyo kung saan ang isang electron ay maaaring matukoy na may mataas na posibilidad.
Upang pagsamahin ang elektronikong istraktura ng carbon atom at ang valence ng elementong ito, ang mga konsepto tungkol sa paggulo ng carbon atom ay ginagamit. Sa normal (hindi nasasabik) na estado, ang carbon atom ay may dalawang hindi pares 2 R 2 elektron. Sa isang nasasabik na estado (kapag ang enerhiya ay hinihigop) isa sa 2 s 2 electron ay maaaring pumunta sa libre R-orbital. Pagkatapos ay lumilitaw ang apat na hindi magkapares na electron sa carbon atom:

Alalahanin natin na sa electronic formula ng isang atom (halimbawa, para sa carbon 6 C – 1 s 2 2s 2 2p 2) malalaking numero sa harap ng mga titik - 1, 2 - ipahiwatig ang bilang ng antas ng enerhiya. Mga liham s At R ipahiwatig ang hugis ng electron cloud (orbital), at ang mga numero sa kanan sa itaas ng mga titik ay nagpapahiwatig ng bilang ng mga electron sa isang ibinigay na orbital. Lahat s-spherical orbitals:

Sa pangalawang antas ng enerhiya maliban sa 2 s-may tatlong orbital 2 R-mga orbital. Ang 2 na ito R-Ang mga orbital ay may ellipsoidal na hugis, katulad ng mga dumbbells, at naka-orient sa espasyo sa isang anggulo na 90° sa bawat isa. 2 R-Ang mga orbital ay tumutukoy sa 2 p x, 2p y at 2 p z alinsunod sa mga axes kung saan matatagpuan ang mga orbital na ito.

Kapag nabuo ang mga bono ng kemikal, ang mga orbital ng elektron ay nakakakuha ng parehong hugis. Kaya, sa saturated hydrocarbons isa s-orbital at tatlo R-orbital ng carbon atom upang bumuo ng apat na magkapareho (hybrid) sp 3-orbital:

ito - sp 3 -hybridization.
Hybridization– pagkakahanay (paghahalo) ng atomic orbitals ( s At R) na may pagbuo ng mga bagong atomic orbital na tinatawag na mga hybrid na orbital.

Ang mga hybrid na orbital ay may asymmetric na hugis, na pinahaba patungo sa nakakabit na atom. Ang mga ulap ng elektron ay nagtataboy sa isa't isa at matatagpuan sa kalawakan hangga't maaari mula sa isa't isa. Sa kasong ito, ang mga palakol ng apat sp 3-mga hybrid na orbital lumabas na nakadirekta patungo sa vertices ng tetrahedron (regular triangular pyramid).
Alinsunod dito, ang mga anggulo sa pagitan ng mga orbital na ito ay tetrahedral, katumbas ng 109°28".
Ang mga vertex ng mga orbital ng elektron ay maaaring mag-overlap sa mga orbital ng iba pang mga atom. Kung ang mga ulap ng elektron ay magkakapatong sa isang linya na nagkokonekta sa mga sentro ng mga atomo, kung gayon ang naturang covalent bond ay tinatawag na sigma()-koneksyon. Halimbawa, sa molekula ng ethane C 2 H 6, ang isang kemikal na bono ay nabuo sa pagitan ng dalawang carbon atom sa pamamagitan ng pag-overlay ng dalawang hybrid na orbital. Ito ay isang koneksyon. Bilang karagdagan, ang bawat isa sa mga carbon atom na may tatlo nito sp Ang 3-orbital ay nagsasapawan sa s-orbital ng tatlong hydrogen atoms, na bumubuo ng tatlong -bond.

Sa kabuuan, tatlong valence state na may iba't ibang uri ng hybridization ang posible para sa isang carbon atom. Maliban sa sp Mayroong 3-hybridization sp 2 - at sp-hybridization.
sp 2 -Hybridization- paghahalo ng isa s- at dalawa R-mga orbital. Bilang isang resulta, tatlong hybrids ang nabuo sp 2 -orbital. Ang mga ito sp Ang 2-orbital ay matatagpuan sa parehong eroplano (na may mga axes X, sa) at nakadirekta sa mga vertices ng tatsulok na may anggulo sa pagitan ng mga orbital na 120°. Unhybridized
R-ang orbital ay patayo sa eroplano ng tatlong hybrid sp 2-orbitals (naka-orient sa kahabaan ng axis z). Itaas na kalahati R-ang mga orbital ay nasa itaas ng eroplano, ang ibabang kalahati ay nasa ibaba ng eroplano.
Uri sp Ang 2-carbon hybridization ay nangyayari sa mga compound na may double bond: C=C, C=O, C=N. Bukod dito, isa lamang sa mga bono sa pagitan ng dalawang atomo (halimbawa, C=C) ang maaaring maging isang - bono. (Ang iba pang mga bonding orbital ng atom ay nakadirekta sa magkasalungat na direksyon.) Ang pangalawang bono ay nabuo bilang resulta ng magkakapatong na non-hybrid R-orbital sa magkabilang panig ng linya na nag-uugnay sa atomic nuclei.

Covalent bond na nabuo sa pamamagitan ng lateral overlap R-tinatawag na mga orbital ng mga kalapit na carbon atoms pi()-koneksyon.

Edukasyon -komunikasyon

Dahil sa mas kaunting orbital overlap, ang -bond ay hindi gaanong malakas kaysa sa -bond.
sp-Hybridization– ito ay paghahalo (alignment sa hugis at enerhiya) ng isa s- at isa
R-orbitals upang bumuo ng dalawang hybrid sp-mga orbital. sp-Ang mga orbital ay matatagpuan sa parehong linya (sa isang anggulo ng 180°) at nakadirekta sa magkasalungat na direksyon mula sa nucleus ng carbon atom. Dalawa
R-nananatiling unhybridized ang mga orbital. Ang mga ito ay inilagay sa isa't isa patayo
direksyon ng mga koneksyon. Sa larawan sp-Ang mga orbital ay ipinapakita sa kahabaan ng axis y, at ang unhybridized na dalawa
R-orbital – kasama ang mga palakol X At z.

Ang carbon-carbon triple bond CC ay binubuo ng isang -bond na nabuo sa pamamagitan ng overlapping
sp-hybrid orbitals, at dalawang -bond.
Ang kaugnayan sa pagitan ng mga naturang parameter ng carbon atom bilang ang bilang ng mga nakakabit na grupo, ang uri ng hybridization at ang mga uri ng kemikal na bono na nabuo ay ipinapakita sa Talahanayan 4.

Talahanayan 4

Covalent carbon bond

Bilang ng mga pangkat kaugnay may carbon	Uri hybridization	Mga uri nakikilahok mga bono ng kemikal	Mga halimbawa ng compound formula
4	sp 3	Apat - koneksyon
3	sp 2	Tatlo - koneksyon at isang koneksyon
2	sp	Dalawang - koneksyon at dalawang - koneksyon	H–CC–H

Mga ehersisyo.

1. Aling mga electron ng mga atomo (halimbawa, carbon o nitrogen) ang tinatawag na unpaired?

2. Ano ang ibig sabihin ng konsepto ng “shared electron pairs” sa mga compound na may covalent bond (halimbawa, CH 4 o H 2 S )?

3. Anong mga elektronikong estado ng mga atom (halimbawa, C o N ) ay tinatawag na basic, at alin ang nasasabik?

4. Ano ang ibig sabihin ng mga numero at letra sa electronic formula ng isang atom (halimbawa, C o N )?

5. Ano ang atomic orbital? Ilang orbital ang mayroon sa pangalawang antas ng enerhiya ng C atom? at paano sila nagkakaiba?

6. Paano naiiba ang mga hybrid na orbital mula sa orihinal na mga orbital kung saan sila nabuo?

7. Anong mga uri ng hybridization ang kilala para sa carbon atom at ano ang binubuo ng mga ito?

8. Gumuhit ng larawan ng spatial na pag-aayos ng mga orbital para sa isa sa mga elektronikong estado ng carbon atom.

9. Ano ang tawag sa mga chemical bond at ano? Tukuyin-At-mga koneksyon sa mga koneksyon:

10. Para sa mga carbon atom ng mga compound sa ibaba, ipahiwatig ang: a) uri ng hybridization; b) mga uri ng mga kemikal na bono nito; c) mga anggulo ng bono.

Mga sagot sa mga pagsasanay para sa paksa 1

Aralin 5

1. Ang mga electron na matatagpuan nang paisa-isa sa isang orbital ay tinatawag mga hindi magkapares na electron. Halimbawa, sa formula ng electron diffraction ng isang excited na carbon atom mayroong apat na hindi magkapares na mga electron, at ang nitrogen atom ay may tatlo:

2. Dalawang electron na kasangkot sa pagbuo ng isang kemikal na bono ay tinatawag nakabahaging pares ng elektron. Karaniwan, bago mabuo ang isang kemikal na bono, ang isa sa mga electron sa pares na ito ay kabilang sa isang atom, at ang isa pang elektron ay kabilang sa isa pang atom:

3. Ang elektronikong estado ng isang atom kung saan ang pagkakasunud-sunod ng pagpuno ng mga orbital ng elektron ay sinusunod: 1 s 2 , 2s 2 , 2p 2 , 3s 2 , 3p 2 , 4s 2 , 3d 2 , 4p 2, atbp., ay tinatawag nakapaloob na kondisyon. SA nasasabik na estado ang isa sa mga valence electron ng atom ay sumasakop sa isang libreng orbital na may mas mataas na enerhiya; ang gayong paglipat ay sinamahan ng paghihiwalay ng mga ipinares na electron. Sa eskematiko ito ay nakasulat tulad nito:

Habang sa ground state mayroon lamang dalawang unpaired valence electron, sa excited state mayroong apat na electron.

5. Ang atomic orbital ay isang function na naglalarawan sa density ng electron cloud sa bawat punto sa espasyo sa paligid ng nucleus ng isang partikular na atom. Sa pangalawang antas ng enerhiya ng carbon atom mayroong apat na orbital - 2 s, 2p x, 2p y, 2p z. Ang mga orbital na ito ay naiiba:
a) ang hugis ng electron cloud ( s- bola, R- dumbbell);
b) R-Ang mga orbital ay may iba't ibang oryentasyon sa espasyo - kasama ang magkabilang patayo na mga palakol x, y At z, sila ay itinalaga p x, p y, p z.

6. Ang mga hybrid na orbital ay naiiba sa orihinal (hindi-hybrid) na mga orbital sa hugis at enerhiya. Halimbawa, s-orbital - ang hugis ng isang globo, R- simetriko na numero walong, sp-hybrid orbital – asymmetric figure walo.
Mga pagkakaiba sa enerhiya: E(s) < E(sp) < E(R). kaya, sp-orbital – isang orbital na may average na hugis at enerhiya, na nakuha sa pamamagitan ng paghahalo ng orihinal s- At p-mga orbital.

7. Para sa isang carbon atom, tatlong uri ng hybridization ang kilala: sp 3 , sp 2 at sp (tingnan ang teksto ng aralin 5).

9. -bond - isang covalent bond na nabuo sa pamamagitan ng head-on overlapping ng mga orbital sa isang linya na nagkokonekta sa mga sentro ng atoms.
-bond – isang covalent bond na nabuo sa pamamagitan ng lateral overlap R-orbital sa magkabilang panig ng linya na nagkokonekta sa mga sentro ng mga atomo.
-Ang mga bono ay ipinapakita ng pangalawa at pangatlong linya sa pagitan ng mga konektadong atomo.