Definicija primjera hibridizacije. Hibridizacija atomskih orbitala

Opća i BIOorganska kemija

(bilješke s predavanja)

2. dio. Organska kemija

Za studente 1. godine Medicinskog fakulteta specijalnosti "Stomatologija"

izdavačka kuća Rusko sveučilište Prijateljstvo među narodima,

Odobreno

Znanstveno vijeće RIS-a

Rusko sveučilište prijateljstva naroda

Kovalchukova O.V., Avramenko O.V.

Opća i bioorganska kemija (bilješke s predavanja). Dio 2. Organska kemija. Za studente 1. godine Medicinskog fakulteta specijalnosti "Stomatologija". Moskva: Sveučilište RUDN, 2010. 108 str.

Sažetak predavanja za studente 1. godine Medicinskog fakulteta, smjer "Stomatologija". Sastavljeno prema programu kolegija "Opća i bioorganska kemija".

Izrađen na Zavodu za opću kemiju.

UVOD

Bioorganska kemija je grana kemije koja je usko povezana s takvim posebnim disciplinama. medicinski fakulteti sveučilišta, kao što su biokemija, farmakologija, fiziologija, molekularna biologija. To je područje znanosti koje proučava strukturu i mehanizme funkcioniranja biološki aktivnih molekula s pozicija i ideja organske kemije, koja utvrđuje obrasce u odnosu između strukture i reaktivnost organski spojevi.

Glavna pažnja u ovom kolegiju posvećena je klasifikaciji organskih spojeva prema strukturi ugljikovog skeleta i prirodi funkcionalne skupine, zakonitosti koje povezuju kemijsku strukturu organskih molekula s prirodom njihovih reakcijskih centara, odnos njihove elektronske i prostorne strukture s mehanizmima kemijskih transformacija.

TEORIJA KEMIJSKE GRAĐE ORGANSKIH SPOJEVA

organski spojevi- to su ugljikovi spojevi (osim najjednostavnijih), u kojima pokazuje valenciju IV.

Organska kemija je kemija ugljikovodika i njihovih derivata.

Ugljikov atom u organski spojevi je u pobuđenom stanju i ima četiri nesparena elektrona:

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

Pobuđeni atom ugljika može:

1) stvaraju jake veze s drugim atomima ugljika, što dovodi do stvaranja lanaca i ciklusa;

2) zbog različitih vrsta hibridizacije orbitala tvore jednostavne, dvostruke i trostruke veze između atoma ugljika i s drugim atomima (H, O, N, S, P itd.);

3) spajaju se s četiri različita atoma, što dovodi do stvaranja razgranatih ugljikovih lanaca.

Vrste hibridizacije ugljikovih atoma u organskim spojevima

sp 3 - hibridizacija

Sve četiri valentne orbitale sudjeluju u hibridizaciji. Valentni kut 109 o 28 '(tetraedar). Atomi ugljika tvore samo jednostavne (σ) veze – spoj je zasićen.

sp 2 - hibridizacija

Formiraju se tri hibridne i jedna nehibridna orbitala. Valentni kut 120 o (ravne strukture, pravilan trokut). Hibridne orbitale tvore σ-veze. Nehibridne orbitale tvore p-veze. sp 2– Hibridizacija je tipična za nezasićene spojeve s jednom p-vezom.

sp - hibridizacija

Formiraju se dvije hibridne i dvije nehibridne orbitale. Valentni kut 180 o (linearne strukture). Ugljikov atom je u stanju sp-hibridizacija sudjeluje u stvaranju dvije dvostruke veze ili jedne trostruke veze.

Teorija strukture organskih spojeva formulirao 1861. A.M. Butlerov i uključuje sljedeće odredbe:

1. Svi atomi koji čine molekulu međusobno su povezani u strogo definiranom nizu u skladu sa svojim valencijama. Redoslijed kojim su atomi spojeni u molekulu određuje njezinu kemijska struktura .

2. Svojstva organskih spojeva ovise ne samo o kvalitativnom i kvantitativnom sastavu tvari, već i o redoslijedu njihovog spajanja (kemijskoj strukturi molekule).

3. Atomi u molekuli imaju međusobni utjecaj jedna na drugu, tj. svojstva skupina atoma u molekuli mogu se mijenjati ovisno o prirodi drugih atoma koji čine molekulu. Grupa atoma koja definira Kemijska svojstva nazivaju se organske molekule funkcionalna skupina .

4. Svaki organski spoj ima samo jedan kemijska formula. Poznavajući kemijsku formulu, možete predvidjeti svojstva spoja, a proučavanjem njegovih svojstava u praksi možete utvrditi kemijsku formulu.

organska molekula

Vrste ugljičnog skeleta:

Aciklički:

· razgranati;

normalno (linearno).

Ciklički:

karbociklički (kruženje samo ugljikovih atoma);

heterociklički (osim atoma ugljika, ciklus uključuje još neke atome - dušik, kisik, sumpor).

Vrste atoma ugljika u lancu ugljikovodika:

H3C-CH2-CH-C-CH3

Primarni atomi ugljika (povezani u lanac sa samo jednim atomom ugljika, terminalni je);

Sekundarni atom ugljika (povezan s dva susjedna atoma ugljika, smješten u sredini lanca);

Tercijarni atom ugljika (smješten na grananju ugljikovog lanca, povezan s tri atoma ugljika);

Kvarterni ugljikov atom (nema drugih supstituenata osim ugljikovih atoma).

Funkcionalna grupa- posebna skupina atoma koja određuje kemijska svojstva spojeva.

Primjeri funkcionalne skupine:

-ON-hidroksilna skupina (alkoholi, fenoli);

C=O– karbonilna skupina (ketoni, aldehidi);

IZ- karboksilna skupina ( karboksilne kiseline);

-NH 2 - amino skupina (amini);

-SH- tiolna skupina (tioalkoholi)

organski spoj

spoj

Svojstva

kemijska struktura

Atomi koji čine organski spoj mogu se na različite načine spojiti u molekule. Na primjer, spoj sastava C 2 H 6 O može odgovarati dvama kemijskim spojevima koji imaju različita fizikalna i kemijska svojstva:

Spoj organski spoj – broj atoma raznih elemenata uključen u njegovu molekulu. Izomeri Spojevi koji imaju isti sastav, ali različitu kemijsku strukturu. Izomeri imaju različita kemijska svojstva.

Vrste izomerije

STRUKTURNA IZOMERIJA

Izomerija ugljikovog lanca:

Izomerija položaja višestrukih veza:

Međuklasna izomerija:

stereoizomerija

Geometrijski(prostorno, cis-trans-izomerija spojeva s dvostrukim vezama):


cis-buten-2	trans-buten-2

Geometrijska izomerija moguća je ako svaki od ugljikovih atoma koji sudjeluju u stvaranju dvostruke veze ima različite supstituente. Dakle, za buten-1 CH 2 \u003d CH-CH 2 -CH 3, geometrijska izomerija je nemoguća, jer jedan od atoma ugljika u dvostrukoj vezi ima dva identična supstituenta (atoma vodika).

Geometrijski(prostorno, cis-trans-izomerija cikličkih graničnih spojeva):

Geometrijska izomerija je moguća ako najmanje dva ugljikova atoma koji tvore ciklus imaju različite supstituente.

Optički:

Optička izomerija je vrsta stereoizomerije zbog kiralnosti molekula. U prirodi postoje spojevi koji koreliraju kao dvije ruke jedne osobe. Jedno od svojstava ovih spojeva je njihova nekompatibilnost s njihovim zrcalna slika. Ovo se svojstvo naziva kiralnost (od grč. « S nasljednik"- ruka).

Optička aktivnost molekula detektira se kada su izložene polariziranom svjetlu. Ako se kroz otopinu optički djelatna tvar prođe polarizirani snop svjetlosti, tada će se ravnina njegove polarizacije okretati. Optički izomeri označavaju se prefiksima d-

Godine 1930. Slater i L. Pauling razvili su teoriju o nastanku kovalentne veze zbog preklapanja elektronskih orbitala – metodu valentnih veza. Ova se metoda temelji na metodi hibridizacije, koja opisuje stvaranje molekula tvari zbog "miješanja" hibridnih orbitala ("miješanje" nisu elektroni, već orbitale).

DEFINICIJA

Hibridizacija- miješanje orbitala i njihovo poravnavanje po obliku i energiji. Dakle, miješanjem s- i p-orbitala dobivamo vrstu hibridizacije sp, s- i 2 p-orbitale - sp 2, s- i 3 p-orbitale - sp 3. Postoje i druge vrste hibridizacije, na primjer, sp 3 d, sp 3 d 2 i složenije.

Određivanje vrste hibridizacije molekula s kovalentnom vezom

Moguće je odrediti vrstu hibridizacije samo za molekule sa kovalentna veza tip AB n, gdje je n veći ili jednak dva, A je središnji atom, B je ligand. U hibridizaciju ulaze samo valentne orbitale središnjeg atoma.

Odredimo tip hibridizacije na primjeru molekule BeH 2 .

U početku zapisujemo elektroničke konfiguracije središnji atom i ligand, nacrtati elektron-grafičke formule.

Atom berilija (središnji atom) ima prazne 2p orbitale, stoga, da bi prihvatio jedan elektron od svakog atoma vodika (ligand) da formira molekulu BeH 2, mora prijeći u pobuđeno stanje:

Nastanak molekule BeH 2 nastaje zbog preklapanja valentnih orbitala atoma Be

* Crveno označava vodikove elektrone, crno označava berilij.

Tip hibridizacije je određen time koje su se orbitale preklapale, tako da je molekula BeH2 u sp hibridizaciji.

Osim molekula sastava AB n , metodom valentnih veza može se odrediti vrsta hibridizacije molekula s višestrukim vezama. Razmotrimo molekulu etilena C 2 H 4 kao primjer. Molekula etilena ima višestruku dvostruku vezu, koju tvore i -veze. Da bismo odredili hibridizaciju, zapisujemo elektronske konfiguracije i crtamo elektronsko-grafičke formule atoma koji čine molekulu:

6 C 2s 2 2s 2 2p 2

Atom ugljika ima još jednu praznu p-orbitalu, stoga, da bi prihvatio 4 atoma vodika, mora prijeći u pobuđeno stanje:

Jedna p-orbitala je potrebna za formiranje -veze (istaknuto crvenom bojom), budući da -veza nastaje preklapanjem "čistih" (nehibridnih) p-orbitala. Preostale valentne orbitale idu u hibridizaciju. Dakle, etilen je u sp 2 hibridizaciji.

Određivanje geometrijske strukture molekula

Geometrijska struktura molekula, kao i kationa i aniona sastava AB n može se odrediti Gillespiejevom metodom. Ova se metoda temelji na valentnim parovima elektrona. Na geometrijsku strukturu utječu ne samo elektroni uključeni u stvaranje kemijske veze, već i nepodijeljeni elektronski parovi. Svaki usamljeni par elektrona u Gillespievoj metodi označen je E, središnji atom je A, a ligand je B.

Ako nema nepodijeljenih elektronskih parova, tada sastav molekula može biti AB 2 ( linearna struktura molekule), AB 3 (struktura ravnog trokuta), AB4 (struktura tetraedara), AB 5 (struktura trigonalne bipiramide) i AB 6 (struktura oktaedara). Derivati se mogu dobiti iz osnovnih struktura ako se umjesto liganda pojavi nepodijeljeni elektronski par. Na primjer: AB 3 E (piramidalna struktura), AB 2 E 2 (kutna struktura molekule).

Da bi se odredila geometrijska struktura (struktura) molekule, potrebno je odrediti sastav čestice, za koji se izračunava broj usamljenih elektronskih parova (NEP):

NEP = ( ukupni broj valentni elektroni - broj elektrona koji se koristi za stvaranje veze s ligandima) / 2

Veza s H, Cl, Br, I, F uzima 1 elektron od A, veza s O uzima po 2 elektrona, a veza s N uzima 3 elektrona od središnjeg atoma.

Razmotrimo primjer molekule BCl 3 . Centralni atom je B.

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

NEP \u003d (3-3) / 2 \u003d 0, stoga nema nepodijeljenih elektronskih parova i molekula ima strukturu AB 3 - ravni trokut.

Detaljna geometrijska struktura molekula različitog sastava prikazana je u tablici. jedan.

Tablica 1. Prostorna struktura molekula

Formula molekule	Vrsta hibridizacije	Vrsta molekule	Geometrija molekule
			linearni
			trokutasti

			tetraedar
			trokutna piramida

			trigonalna bipiramida
			disfenoidni
			T-oblika
			linearni

			kvadratna piramida

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

Vježbajte	Metodom valentnih veza odredite vrstu hibridizacije molekule metana (CH 4) i njenu geometrijsku strukturu prema Gillespievoj metodi.
Riješenje	6 C 2s 2 2s 2 2p 2

Najčešće hibridizacije su sp, sp 2 , sp 3 i sp 3 d 2 . Svaki tip hibridizacije odgovara određenom prostorna struktura molekule tvari.

sp hibridizacija. Ova vrsta hibridizacije opaža se kada atom formira dvije veze zahvaljujući elektronima koji se nalaze u s-orbitali iu istoj p-orbitali (iste energetske razine). U ovom slučaju nastaju dvije hibridne q-orbitale usmjerene na suprotne strane pod kutom od 180 º (slika 22).

Riža. 22. Shema sp-hibridizacije

Tijekom sp-hibridizacije nastaju linearne troatomne molekule tipa AB 2, gdje je A središnji atom u kojem dolazi do hibridizacije, a B su vezani atomi kod kojih hibridizacija ne dolazi. Takve molekule tvore atomi berilija, magnezija, kao i atomi ugljika u acetilenu (C 2 H 2) i u ugljični dioksid(CO 2).

Primjer 5 Objasnite kemijsku vezu u molekulama BeH 2 i BeF 2 te strukturu tih molekula.

Riješenje. atomi berilija u normalno stanje ne stvaraju kemijske veze, jer nemaju nesparene elektrone (2s 2). U pobuđenom stanju (2s 1 2p 1) elektroni su u različitim orbitalama; stoga, kada se formiraju veze, dolazi do sp hibridizacije prema shemi prikazanoj na slici. 22. Dva atoma vodika ili fluora vezana su za dvije hibridne orbitale, kao što je prikazano na sl. 23.

1) 2)

Riža. 23. Shema nastanka molekula BeH 2 (1) i BeF 2 (2)

Rezultirajuće molekule su linearne, vezni kut je 180º.

Primjer 6 Prema eksperimentalnim podacima, molekula CO 2 je linearna, a obje veze ugljika s kisikom iste su po duljini (0,116 nm) i energiji (800 kJ/mol). Kako se objašnjavaju ovi podaci?

Riješenje. Ovi podaci o molekuli ugljičnog dioksida objašnjeni su sljedećim modelom njegovog nastanka.

Atom ugljika stvara veze u pobuđenom stanju u kojem ima četiri nesparena elektrona: 2s 1 2p 3 . Pri stvaranju veza dolazi do sp hibridizacije orbitala. Hibridne orbitale usmjerene su pravocrtno u suprotnim smjerovima od jezgre atoma, a preostale dvije čiste (nehibridne) p-orbitale smještene su okomito jedna na drugu i na hibridne orbitale. Sve orbitale (hibridne i nehibridne) sadrže jedan nespareni elektron.

Svaki atom kisika, koji ima dva nesparena elektrona u dvije međusobno okomite p-orbitale, vezan je za atom ugljika s-vezom i p-vezom: s-veza nastaje uz sudjelovanje hibridne ugljikove orbitale, a p-veza nastaje preklapanjem čistih p-orbitala atoma ugljika i kisika. Stvaranje veza u molekuli CO 2 prikazano je na sl. 24.

Riža. 24. Shema nastanka molekule CO 2

Višestrukost veze jednaka dva objašnjava veću čvrstoću veze, a sp hibridizacija objašnjava linearnu strukturu molekule.

Miješanje jedne s i dvije p orbitale naziva se sp 2 hibridizacija. Ovom hibridizacijom dobivaju se tri ekvivalentne q-orbitale koje se nalaze u istoj ravnini pod kutom od 120º (slika 25).

Riža. 25. Shema sp 2 hibridizacije

Molekule tipa AB 3 nastale tijekom ove hibridizacije imaju oblik stana pravokutni trokut s atomima A u središtu i atomima B na njegovim vrhovima. Takva se hibridizacija događa u atomima bora i drugih elemenata treće skupine te u atomima ugljika u molekuli C 2 H 4 i u ionu CO 3 2-.

Primjer 7 Objasnite nastanak kemijskih veza u molekuli VN 3 i njezinu strukturu.

Riješenje. Eksperimentalna istraživanja pokazuju da se u molekuli BH 3 sve tri B–H veze nalaze u istoj ravnini, a kutovi između veza su 120º. Ovakva struktura molekule objašnjava se činjenicom da su valentne orbitale zauzete nesparenim elektronima (2s 1 2p 2) pomiješane u atomu bora u pobuđenom stanju i on stvara veze sa sp 2 hibridnim orbitalama. Dijagram molekule VN 3 prikazan je na sl. 26.

Riža. 26. Shema nastanka molekule VN 3

Ako u hibridizaciji sudjeluju jedna s- i tri p-orbitale ( sp 3 hibridizacija), tada kao rezultat nastaju četiri hibridne orbitale, usmjerene prema vrhovima tetraedra, tj. orijentirani pod kutovima od 109º28¢ (~109.5º) jedan prema drugom. Rezultirajuće molekule imaju tetraedarsku strukturu. Hibridizacija ove vrste objašnjava strukturu zasićenih ugljikovodika, ugljikovih spojeva s halogenima, mnogih spojeva silicija, amonijevog kationa NH 4 + itd. Klasičan primjer ova hibridizacija je molekula metana CH 4 (slika 27)

Riža. 27. Shema nastanka kemijskih veza u molekuli CH 4

Ako u hibridizaciji sudjeluju jedna s-, tri p- i dvije d-orbitale ( sp 3 d 2 - hibridizacija), tada se pojavljuje šest hibridnih orbitala, usmjerenih na vrhove oktaedra, tj. orijentirani pod kutom od 90º jedan prema drugom. Rezultirajuće molekule imaju oktaedarsku strukturu. Hibridizacija ovog tipa objašnjava strukturu spojeva sumpora, selena i telura s halogenima, na primjer, SF 6 i SeF 6, i mnogim složenim ionima: 2–, 3– itd. Na sl. Slika 28 prikazuje stvaranje molekule sumpornog heksafluorida.

Riža. 28. Shema molekule SF 6

Kemijske veze koje uključuju hibridne orbitale vrlo su jake. Ako se energija s-veze koju tvore "čiste" s-orbitale uzme kao jedinica, tada će energija veze tijekom sp hibridizacije biti 1,43, sa sp 2 hibridizacijom 1,99, sa sp 3 hibridizacijom 2,00, a sa sp 3 d 2 hibridizacijom 2,92 . Povećanje čvrstoće veze objašnjava se potpunijim preklapanjem hibridnih orbitala s nehibridnim tijekom stvaranja kemijske veze.

Pored razmatranih tipova hibridizacije, u kemijski spojevi postoje hibridizacije sp 2 d, sp 3 d, sp 3 d 3, sp 3 d 3 i druge. Uz sp 2 d hibridizaciju, molekule i ioni imaju kvadratni oblik, sa sp 3 d-hibridizacijom - oblik trigonalne bipiramide i sa sp 3 d 3 -hibridizacijom - peterokutnom bipiramidom. Druge vrste hibridizacije su rijetke.

Primjer 8 Date su jednadžbe dviju sličnih reakcija:

1) CF4 + 2HF = H2CF6; 2) SiF 4 + 2HF = H 2 SiF 6

Što je od njih nemoguće s gledišta stvaranja kemijskih veza?

Riješenje. Za nastanak H 2 CF 6 potrebna je sp 3 d 2 hibridizacija, ali u atomu ugljika valentni elektroni su na drugom razina energije, koji nema d-orbitale. Stoga je prva reakcija načelno nemoguća. Druga reakcija je moguća jer je sp 3 d 2 hibridizacija moguća u siliciju.

Hibridizacija– poravnanje (miješanje) atomskih orbitala ( s i R) uz nastanak novih atomske orbitale nazvao hibridne orbitale.

atomska orbitala je funkcija koja opisuje gustoću elektronskog oblaka u svakoj točki prostora oko jezgre atoma. Elektronski oblak je područje prostora u kojem se s velikom vjerojatnošću može naći elektron.

Sp hibridizacija

Nastaje kod miješanja jedne s- i jedne p-orbitale. Formiraju se dvije ekvivalentne sp-atomske orbitale, smještene linearno pod kutom od 180 stupnjeva i usmjerene u različitim smjerovima od jezgre središnjeg atoma. Dvije preostale nehibridne p-orbitale nalaze se u međusobno okomitim ravninama i sudjeluju u stvaranju π-veza, ili su zauzete usamljenim parovima elektrona.

Sp2 hibridizacija

Nastaje kod miješanja jedne s- i dvije p-orbitale. Formirane su tri hibridne orbitale s osi smještenim u istoj ravnini i usmjerene na vrhove trokuta pod kutom od 120 stupnjeva. Nehibridna p-atomska orbitala je okomita na ravninu i u pravilu sudjeluje u stvaranju π-veza

U tablici su prikazani primjeri korespondencije između najčešćih tipova hibridizacije i geometrijske strukture molekula, pod pretpostavkom da su sve hibridne orbitale uključene u stvaranje kemijskih veza (nema nepodijeljenih elektronskih parova)

Vrsta hibridizacije	Broj hibridnih orbitala	Geometrija	Struktura	Primjeri
		Linearno		BeF2, CO2, NO2+
sp 2		trokutasti		BF 3, NO 3 -, CO 3 2-
sp 3		tetraedarski		CH4, ClO4-, SO42-, NH4+
dsp 2		ravni kvadrat		Ni(CO) 4, 2-
sp 3 d		Heksaedarski
sp 3 d 2 , d 2 sp 3		Octahedral		SF 6 , Fe(CN) 6 3- , CoF 6 3-

4. Elektrovalentne, kovalentne, donor-akceptorske, vodikove veze. Elektronska struktura σ i π veza. Glavne karakteristike kovalentne veze: energija veze, duljina, vezni kut, polaritet, polarizabilnost.

Ako između dva atoma ili dvije skupine atoma postoji elektrostatsko međudjelovanje koje dovodi do jakog privlačenja i stvaranja kemijske veze, tada se takva veza naziva elektrovalentni ili heteropolarni.

kovalentna veza- kemijska veza nastala preklapanjem para oblaka valentnih elektrona. Elektronički oblaci koji omogućuju komunikaciju nazivaju se uobičajeni elektronski par.

Donor-akceptorska veza - ovo je kemijska veza između dva atoma ili skupine atoma, koja se provodi zbog usamljenog para elektrona jednog atoma (donora) i slobodne razine drugog atoma (akceptora). Ova se veza od kovalentne veze razlikuje po podrijetlu elektronske veze.

vodikova veza - ovo je vrsta kemijske interakcije atoma u molekuli, karakterizirana time što atom vodika, već vezan kovalentnom vezom s drugim atomima, značajno sudjeluje u njoj

σ veza je prva i jača veza koja nastaje kada se elektronski oblaci preklapaju u smjeru ravne linije koja spaja središta atoma.

σ veza je uobičajena kovalentna veza ugljikovih atoma s vodikovim atomima. Molekule zasićenih ugljika sadrže samo σ veze.

π veza je slabija veza koja nastaje preklapanjem elektronske ravnine atoma jezgre

Elektroni π i σ veze gube pripadnost određenom atomu.

Značajke σ i π veza: 1) rotacija ugljikovih atoma u molekuli moguća je ako su povezani σ vezom; 2) pojava π veze lišava ugljikov atom u molekuli slobodne rotacije.

Duljina komunikacije- je udaljenost između središta vezanih atoma.

Valentni kut- je kut između dviju veza koje imaju zajednički atom.

Komunikacijska energija- energija koja se oslobađa tijekom stvaranja kemikalije. veze i odlikuje se svojom snagom

Polaritet veza je zbog neravnomjerne raspodjele gustoće elektrona zbog razlika u elektronegativnosti atoma. Na temelju toga kovalentne veze dijelimo na nepolarne i polarne. Polarizabilnost veza se izražava u pomaku elektrona veze pod utjecajem vanjskog električnog polja, uključujući drugu česticu koja reagira. Polarizabilnost je određena pokretljivošću elektrona. Polarnost i polarizabilnost kovalentnih veza određuju reaktivnost molekula u odnosu na polarne reagense.

5. Ionska veza (elektrovalentna) - vrlo jaka kemijska veza nastala između atoma s velikom razlikom u elektronegativnosti, u kojoj zajednički elektronski par prelazi pretežno na atom s većom elektronegativnošću. Kovalentna veza - nastaje zbog socijalizacije elektronskog para kroz mehanizam izmjene, kada svaki od atoma koji međusobno djeluju daje po jedan elektron. Donorsko-akceptorska veza (koordinacijska veza) je kemijska veza između dva atoma ili skupine atoma, koja se ostvaruje zahvaljujući slobodnom paru elektrona jednog atoma (donora) i slobodne orbitale drugog atoma (akceptora). Primjer NH4 Za pojava vodikovih veza, važno je da postoje atomi u molekulama tvari vodikove veze s malim, ali elektronegativnim atomima, na primjer: O, N, F. To stvara zamjetan djelomični pozitivni naboj na atomima vodika. S druge strane, važno je da elektronegativni atomi imaju usamljene elektronske parove. Kada elektronom osiromašeni atom vodika jedne molekule (akceptor) stupi u interakciju s nepodijeljenim elektronskim parom na atomu N, O ili F druge molekule (donor), nastaje veza slična polarnoj kovalentnoj vezi. Kada se u molekulama organskih spojeva stvori kovalentna veza, zajednički elektronski par naseljava vezne molekularne orbitale koje imaju nižu energiju. Ovisno o obliku MO - σ-MO ili π-MO - nastale veze se klasificiraju kao σ- ili p-tip. σ-veza - kovalentna veza nastala preklapanjem s-, p- i hibridnog AO duž osi koja povezuje jezgre vezanih atoma (tj. s aksijalnim preklapanjem AO). π-veza - kovalentna veza koja nastaje tijekom bočnog preklapanja nehibridnog p-AO. Takvo se preklapanje događa izvan ravne linije koja povezuje jezgre atoma.
π-veze nastaju između atoma koji su već povezani σ-vezom (u ovom slučaju nastaju dvostruke i trostruke kovalentne veze). π-veza je slabija od σ-veze zbog manje potpunog preklapanja p-AO. Različita struktura σ- i π-molekulskih orbitala određuje karakteristikeσ- i π-veze. 1.σ-veza je jača od π-veze. To je zbog učinkovitijeg aksijalnog preklapanja AO tijekom formiranja σ-MO i prisutnosti σ-elektrona između jezgri. 2. Pomoću σ-veza moguća je intramolekularna rotacija atoma, budući da oblik σ-MO omogućuje takvu rotaciju bez prekida veze (vidi anim. sliku dolje)). Rotacija duž dvostruke (σ + π) veze je nemoguća bez prekida π veze! 3. Elektroni na π-MO, budući da su izvan međunuklearnog prostora, imaju veću mobilnost od σ-elektrona. Stoga je polarizabilnost π veze mnogo veća od one σ veze.

Karakteristična svojstva kovalentne veze - usmjerenost, zasićenost, polarnost, polarizabilnost - određuju kemijsku i fizička svojstva veze.

Smjer veze uvjetovan je molekularnom strukturom tvari i geometrijski oblik njihove molekule. Kutovi između dviju veza nazivaju se veznim kutovima.

Zasićenje – sposobnost atoma da stvaraju ograničeni broj kovalentnih veza. Broj veza koje tvori atom ograničen je brojem njegovih vanjskih atomskih orbitala.

Polarnost veze je posljedica neravnomjerne raspodjele gustoće elektrona zbog razlika u elektronegativnosti atoma. Na temelju toga se kovalentne veze dijele na nepolarne i polarne (nepolarne - dvoatomna molekula sastoji se od identičnih atoma (H 2, Cl 2, N 2) i elektronski oblaci svakog atoma raspoređeni su simetrično u odnosu na njih. atomi; polarna - dvoatomna molekula sastoji se od atoma različitih kemijskih elemenata, a opći elektronski oblak pomiče se prema jednom od atoma, stvarajući tako asimetriju u raspodjeli električnog naboja u molekuli, stvarajući dipolni moment molekule).

Polarizabilnost veze izražava se pomicanjem elektrona veze pod utjecajem vanjskog električnog polja, uključujući i ono druge čestice koja reagira. Polarizabilnost je određena pokretljivošću elektrona. Polarnost i polarizabilnost kovalentnih veza određuju reaktivnost molekula u odnosu na polarne reagense.

6.Nomenklatura je sustav pravila koji vam omogućuje davanje jedinstvenog imena svakoj pojedinačnoj vezi. Za medicinu je poznavanje općih pravila nomenklature od posebne važnosti, budući da su nazivi brojnih lijekova izgrađeni u skladu s njima. Trenutno općeprihvaćeno IUPAC sustavna nomenklatura(IUPAC - Međunarodna unija čiste i primijenjene kemije)*.

Međutim, oni su još uvijek sačuvani i široko se koriste (osobito u medicini) trivijalno(obični) i polutrivijalni nazivi koji su se upotrebljavali i prije nego što je struktura tvari postala poznata. Ovi nazivi mogu odražavati prirodne izvore i metode pripreme, posebno uočljiva svojstva i primjenu. Na primjer, laktoza (mliječni šećer) je izolirana iz mlijeka (od lat. laktum- mlijeko), palmitinska kiselina - iz palminog ulja, pirogrožđana kiselina dobivena pirolizom vinske kiseline, naziv glicerina odražava njegov slatki okus (od grč. glykys- slatko).

Trivijalni nazivi posebno često imaju prirodne spojeve - aminokiseline, ugljikohidrate, alkaloide, steroide. Korištenje nekih utvrđenih trivijalnih i polutrivijalnih naziva dopušteno je IUPAC-ovim pravilima. Takvi nazivi uključuju, na primjer, "glicerol" i nazive mnogih dobro poznatih aromatskih ugljikovodika i njihovih derivata.

Racionalna nomenklatura zasićenih ugljikovodika

Za razliku od trivijalnih naziva, oni se temelje na strukturi molekula. Naslovi složene strukture sastoje se od naziva blokova onih radikala koji su povezani s glavnim najvažnijim mjestom molekule prema ovoj nomenklaturi, alkani se smatraju derivatima metana u kojima su atomi vodika zamijenjeni odgovarajućim radikalima. Odabir metanskog ugljika je proizvoljan, stoga 1 spoj može imati više naziva.Prema ovoj nomenklaturi alkeni se smatraju derivatima etilena i alkina-acetilena.

7. Homologija organskih spojevaili zakon homologa- sastoji se u tome što su tvari iste kemijske funkcije i iste građe, koje se međusobno razlikuju na njihov atomski sastav je samo nCH 2, ispadaju konsolidirani i u svom ostalom kem. karakter, a razlika u njihovim fizikalnim svojstvima raste ili se općenito pravilno mijenja kako se povećava razlika u sastavu, određena brojem n CH 2 skupina.Takve kem. slični spojevi tvore tzv. homologni niz, čiji se atomski sastav svih članova može izraziti opća formula ovisno o sastavu prvog člana niza i broju ugljikovih atoma; organske tvari jednog naziva kao što su samo alkani.

Izomeri su spojevi koji imaju isti sastav, ali različitu strukturu i svojstva.

8.Nucleofielektrični i elektroforniile reaktantients. Reagensi koji sudjeluju u reakcijama supstitucije dijele se na nukleofilne i elektrofilne. Nukleofilni reagensi ili nukleofili daju svoj par elektrona za stvaranje nove veze i istiskuju izlaznu skupinu (X) iz RX molekule s parom elektrona koji je formirao staru vezu, na primjer:

(gdje je R organski radikal).

Nukleofili uključuju negativno nabijene ione (Hal - , OH - , CN - , NO 2 - , OR - , RS - , NH 2 - , RCOO - i drugi), neutralne molekule sa slobodnim parom elektrona (na primjer, H 2 O NH3, R3N, R2S, R3P, ROH, RCOOH), i organometalni. R-Me spojevi s dovoljno polariziranom C-Me + vezom, tj. sposobni biti donori R-karbaniona. Reakcije koje uključuju nukleofile (nukleofilna supstitucija) uglavnom su karakteristične za alifatske spojeve, na primjer, hidroliza (OH - , H 2 O), alkoholiza (RO - , ROH), acidoliza (RCOO - , RCOOH), aminacija (NH - 2, NH 3 , RNH 2 itd.), cijanizacija (CN -) itd.

Elektrofilni reagensi ili elektrofili, kada se stvori nova veza, služe kao akceptori elektronskih parova i istiskuju odlazeću skupinu u obliku pozitivno nabijene čestice. U elektrofile spadaju pozitivno nabijeni ioni (na primjer, H +, NO 2 +), neutralne molekule s manjkom elektrona, na primjer SO 3, te visoko polarizirane molekule (CH 3 COO - Br +, itd.), a posebno je učinkovita polarizacija. postiže se formiranjem kompleksa s Lewisovim koeficijentima (Hal + - Hal - A, R + - Cl - A, RCO + - Cl - A, gdje A \u003d A1C1 3, SbCl 5, BF 3, itd.). Reakcije koje uključuju elektrofile (elektrofilna supstitucija) uključuju najvažnije reakcije aromatskih ugljikovodika (na primjer, nitriranje, halogeniranje, sulfoniranje, Friedel-Craftsova reakcija):

(E + \u003d Hal +, NO + 2, RCO +, R +, itd.)

U pojedinim sustavima reakcije u kojima sudjeluju nukleofili odvijaju se u aromatskom nizu, a reakcije u kojima sudjeluju elektrofili odvijaju se u alifatskom nizu (najčešće u nizu organometalnih spojeva).

53. interakcija okso spojeva s organometalnim spojevima (keton ili aldehid plus organometalni spojevi)

Reakcije se široko koriste za dobivanje alkohola. Kada se Grignardov reagens (R-MgX) doda formaldehidu, nastaje primarni alkohol, drugi aldehid je sekundarni, a ketoni su tricijarni alkoholi

DRŽAVNA AUTONOMNA OBRAZOVNA USTANOVA

SREDNJE STRUČNO OBRAZOVANJE U NOVOSIBIRSKOJ REGIONI

"KUPINSKI MEDICINSKI KOLEĐ"

PRIRUČNIK

« »

za samostalan rad učenicima

u kemiji

Odjeljak: Organska kemija

Tema: Predmet organska kemija.

Teorija strukture organskih spojeva

Specijalnost: 34.02.01 "Njega" 1 tečaj

Kupino

2015 akademska godina

Razmotreno na sastanku

predmet - cikličko metodičko povjerenstvo na

općeobrazovne discipline, općehumanitarne i

društveno-ekonomski, matematički

i prirodoslovni ciklus

Protokol iz 2015

Predsjedavajući ______________ /__________________/

Vede Irina Viktorovna

Objašnjenje metodičkom vodiču

Alati namijenjen za dubinsko proučavanje teme « Vrste hibridizacije ugljikovih atoma ».

Praksa pokazuje da je mnogim studentima teško odrediti vrste hibridizacije ugljikovih atoma i vrste kemijskih veza u proučavanju organskih spojeva.

Svrha priručnika je pomoći učenicima da nauče identificirati vrste hibridizacije ugljikovih atoma i vrste kemijskih veza u organskim spojevima.Ovaj priručnik preporučuje se studentima 1. godine specijalizacije 34.02.01 Sestrinstvo. Priručnik sadrži teorijsko gradivo na temu, tablice za usustavljivanje znanja, vježbe za samostalan rad i detaljne odgovore za svaki od zadataka.

Priručnik je usmjeren na razvijanje vještina samostalnog rada s obrazovni materijal, pretraživanje i korištenje informacija, formiranje i razvoj kreativnost, povećao interes za disciplinu.

Uvijek sam spreman učiti

ali ne sviđa mi se uvijek

kad me uče

W. Churchill

Vrste hibridizacije ugljikovih atoma

Elektronska struktura atoma ugljika u osnovnom stanju je 1s 2 2s 2 2p 2 , na p-orbitalama 2. razine nalaze se dva nesparena elektrona. To omogućuje atomu ugljika da formira samo dvije kovalentne veze mehanizmom izmjene. Međutim, u svim organskim spojevima ugljik tvori četiri kovalentne veze, što postaje moguće kao rezultat hibridizacije atomskih orbitala.

Hibridizacija je interakcija atomskih orbitala bliskih energetskih vrijednosti, popraćena stvaranjem novih "hibridnih" orbitala.

Hibridizacija je proces koji zahtijeva troškove energije, ali ti su troškovi više nego nadoknađeni energijom koja se oslobađa tijekom formiranja više kovalentne veze. nastale "hibridne" orbitale imaju oblik asimetrične bučice i oštro se razlikuju od početnih orbitala ugljikovog atoma.

Za ugljikov atom moguća su tri tipa hibridizacije: sp 3 -hibridizacija- orbitale u interakciji prikazane su plavim strelicama:

sp 2 -hibridizacija:

sp hibridizacija:

Hibridne orbitale atoma ugljika mogu sudjelovati u formiranju samo -veza, p-orbitale na koje hibridizacija ne utječe formiraju samo -veze. Upravo ta značajka određuje prostornu strukturu molekula organskih tvari.

Hibridizacija
atomske orbitale ugljika

Kovalentna kemijska veza nastaje korištenjem uobičajenih veznih elektronskih parova tipa:

Formirajte kemijsku vezu, tj. samo nespareni elektroni mogu stvoriti zajednički elektronski par sa "stranim" elektronom iz drugog atoma. Prilikom pisanja elektroničkih formula, nespareni elektroni se nalaze jedan po jedan u orbitalnoj ćeliji.
atomska orbitala je funkcija koja opisuje gustoću elektronskog oblaka u svakoj točki prostora oko jezgre atoma. Elektronski oblak je područje prostora u kojem se s velikom vjerojatnošću može naći elektron.
Za dogovor elektronička struktura atoma ugljika i valencije ovog elementa koriste koncept ekscitacije atoma ugljika. U normalnom (nepobuđenom) stanju ugljikov atom ima dva nesparena 2 R 2 elektrona. U pobuđenom stanju (kada se energija apsorbira) jedan od 2 s 2-elektrona mogu prijeći u slobodne R-orbitalni. Tada se u atomu ugljika pojavljuju četiri nesparena elektrona:

Podsjetimo da u elektronska formula atom (na primjer, za ugljik 6 C - 1 s 2 2s 2 2str 2) veliki brojevi ispred slova - 1, 2 - označavaju broj energetske razine. pisma s i R označavaju oblik elektronskog oblaka (orbitale), a brojevi desno iznad slova označavaju broj elektrona u određenoj orbitali. svi s- sferne orbitale:

Na drugoj energetskoj razini osim 2 s-postoje tri orbitale 2 R-orbitale. Ova 2 R-orbitale imaju elipsoidan oblik, sličan bučicama, a orijentirane su u prostoru pod kutom od 90 ° jedna prema drugoj. 2 R- Orbitale označavaju 2 R x , 2R g i 2 R z prema osima duž kojih se te orbitale nalaze.

Oblik i orijentacija
p-elektronske orbitale

Kada se kemijske veze stvaraju, dobivaju se elektronske orbitale isti oblik. Da, unutra zasićeni ugljikovodici mješoviti s-orbitalne i tri R-orbitale ugljikovog atoma tvore četiri identična (hibridna) sp 3-orbitale:

to - sp 3 - hibridizacija.
Hibridizacija– poravnanje (miješanje) atomskih orbitala ( s i R) uz stvaranje novih atomskih orbitala, tzv hibridne orbitale.

Četiri sp 3 hibridne orbitale
atom ugljika

Hibridne orbitale imaju asimetričan oblik, izdužene prema spojenom atomu. Elektronski oblaci se odbijaju i nalaze se u prostoru što je moguće dalje jedan od drugog. Istodobno, osi od četiri sp 3-hibridne orbitale ispostavilo se da su usmjereni na vrhove tetraedra (pravilne trokutaste piramide).
Prema tome, kutovi između ovih orbitala su tetraedarski, jednaki 109°28".
Vrhovi elektronskih orbitala mogu se preklapati s orbitalama drugih atoma. Ako se elektronski oblaci preklapaju duž linije koja povezuje središta atoma, tada se takva kovalentna veza naziva sigma( )-veza. Na primjer, u molekuli C 2 H 6 etana, kemijska veza nastaje između dva atoma ugljika preklapanjem dviju hibridnih orbitala. Ovo je veza. Osim toga, svaki od atoma ugljika sa svoja tri sp 3-orbitale se preklapaju sa s-orbitale tri vodikova atoma, tvoreći tri -veze.

Shema preklapajućih elektronskih oblaka
u molekuli etana

Postoje tri mogućnosti za atom ugljika. valentna stanja S drugačiji tip hibridizacija. Osim sp 3-hibridizacija postoji sp 2 - i sp-hibridizacija.
sp 2 -Hibridizacija- miješanje jednog s- i dva R-orbitale. Kao rezultat, tri hibrida sp 2 -orbitale. ove sp 2 -orbitale nalaze se u istoj ravnini (s osi x, na) i usmjerene su na vrhove trokuta s kutom između orbitala od 120°. nehibridizirani
R-orbitala je okomita na ravninu tri hibrida sp 2 orbitale (orijentirane duž osi z). Gornja polovica R-orbitale su iznad ravnine, donja polovina ispod ravnine.
Vrsta sp 2-hibridizacija ugljika javlja se u spojevima s dvostrukom vezom: C=C, C=O, C=N. Štoviše, samo jedna od veza između dva atoma (na primjer, C=C) može biti veza. (Druge vezne orbitale atoma usmjerene su u suprotnim smjerovima.) Druga veza nastaje kao rezultat preklapanja nehibridnih R-orbitale s obje strane pravca koji povezuje jezgre atoma.

Orbitale (tri sp 2 i jedna p)
ugljikov atom u sp 2 hibridizaciji

Kovalentna veza nastala bočnim preklapanjem R-orbitale susjednih ugljikovih atoma naziva se pi( )-veza.

Obrazovanje
- komunikacije

Zbog manjeg preklapanja orbitala, -veza je manje jaka od -veze.
sp-Hibridizacija je miješanje (usklađivanje u obliku i energiji) jednog s- i jedan
R-orbitale uz formiranje dviju hibridnih sp-orbitale. sp- Orbitale se nalaze na istoj liniji (pod kutom od 180 °) i usmjerene su u suprotnim smjerovima od jezgre ugljikovog atoma. Dva
R-orbitale ostaju nehibridizirane. Postavljeni su okomito jedni na druge.
pravci – veze. Na slici sp-orbitale su prikazane duž osi g, i nehibridizirana dva
R-orbitale – po osi x i z.

Atomske orbitale (dvije sp i dvije p)
ugljik u stanju sp-hibridizacije

Trostruka veza ugljik-ugljik CC sastoji se od -veze koja nastaje preklapanjem
sp-hibridne orbitale, i dvije -veze.
Odnos između takvih parametara atoma ugljika kao što su broj spojenih skupina, vrsta hibridizacije i vrste stvorenih kemijskih veza prikazan je u tablici 4.

Kovalentne veze ugljika

Broj grupa
srodni
s ugljikom

Vrsta
hibridizacija

Vrste
sudjelujući
kemijske veze

Primjeri formula spojeva

sp 3

četiri - komunikacije

sp 2

Tri - komunikacije i
jedan je veza

Dva - komunikacije
i dva priključka

H-CC-H

Vježbe.

1. Koji se elektroni atoma (na primjer, ugljika ili dušika) nazivaju nesparenim?

2. Što znači koncept "zajedničkih elektronskih parova" u spojevima s kovalentnom vezom (npr. CH 4 ili H 2 S )?

3. Koja su elektronska stanja atoma (npr. IZ ili N ) nazivaju se bazične, a koje pobuđene?

4. Što znače brojevi i slova u elektroničkoj formuli atoma (npr. IZ ili N )?

5. Što je atomska orbitala? Koliko je orbitala u drugoj energetskoj razini atoma IZ i kako se razlikuju?

6. Koja je razlika između hibridnih orbitala i izvornih orbitala iz kojih su nastale?

7. Koje su vrste hibridizacije poznate za ugljikov atom i koje su?

Odgovori na vježbe

1. Elektroni koji imaju jedan po orbitali nazivaju se nespareni elektroni. Na primjer, u formuli difrakcije elektrona pobuđenog atoma ugljika postoje četiri nesparena elektrona, a atom dušika ima tri:

2. Dva elektrona koji sudjeluju u stvaranju jedne kemijske veze nazivaju se zajedničkim elektronskim parom. Obično je prije stvaranja kemijske veze jedan od elektrona ovog para pripadao jednom atomu, a drugi elektron pripadao je drugom atomu:

3. Elektronsko stanje atoma, u kojem se promatra redoslijed popunjavanja elektronskih orbitala: 1s 2, 2s 2, 2p 2, 3s 2, 3p 2, 4s 2, 3d 2, 4p 2 itd., naziva se osnovno država. U pobuđenom stanju, jedan od valentnih elektrona atoma zauzima slobodnu orbitalu s višom energijom, takav prijelaz je popraćen odvajanjem uparenih elektrona. Shematski je to napisano ovako:

Dok su u osnovnom stanju postojala samo dva valentna nesparena elektrona, u pobuđenom stanju postoje četiri takva elektrona.

5. Atomska orbitala je funkcija koja opisuje gustoću elektronskog oblaka u svakoj točki prostora oko jezgre danog atoma. Na drugoj energetskoj razini atoma ugljika nalaze se četiri orbitale - 2s, 2p x, 2p y, 2p z. Ove orbitale su:
a) oblik elektronskog oblaka (s je lopta, p je bučica);
b) p-orbitale imaju različitu orijentaciju u prostoru - duž međusobno okomitih osi x, y i z, označavaju se p x, p y, p z.

6. Hibridne orbitale razlikuju se od izvornih (nehibridnih) orbitala po obliku i energiji. Na primjer, s-orbitala je oblik sfere, p je simetrična osmica, sp-hibridna orbitala je asimetrična osmica.
Energetske razlike: E(s)< E(sр) < E(р). Таким образом, sp-орбиталь – усредненная по форме и энергии орбиталь, полученная смешиванием исходных s- и p-орбиталей.

7. Za ugljikov atom poznate su tri vrste hibridizacije: sp 3 , sp 2 i sp (vidi tekst lekcije 5).

9. -veza - kovalentna veza nastala frontalnim preklapanjem orbitala duž crte koja povezuje središta atoma.
-veza - kovalentna veza nastala bočnim preklapanjem p-orbitala s obje strane linije koja povezuje središta atoma.
- Veze su prikazane drugom i trećom crtom između povezanih atoma.

10.