СТРОЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Строение органических соединений обычно можно предсказать на основе представлений о гибридизации атомных орбиталей. Например, атомы углерода в насыщенных органических соединениях окружены другими атомами, которые располагаются в вершинах тетраэдра, построенного вокруг рассматриваемого атома. Простейший пример — молекулы метана и этана. Если при атоме углерода имеется двойная связь, то остальные атомы часто расположены в одной плоскости и углы между связями близки к 120°. Примером может служить молекула этилена. В случае тройной связи наблюдается линейная геометрия, примеры — ацетилен, диацетилен.

Тем не менее изложенная теория гибридизации, так же как и теория отталкивания электронных пар, лишь очень качественно учитывает взаимодействие электронов между собой. Например, обычным объяснением тетраэдрической структуры метана является представление о четырех эквивалентных валентных орбиталях, которые построены из атомных орбиталей атомов водорода и гибридных 2s- и 2/>-атомных орбиталей атома углерода. В этом случае молекула метана должна иметь два потенциала ионизации: меньший — ионизация электрона с МО, описывающих связи С—Н, и второй, существенно больший — ионизация 15-электронов атома углерода, которые почти не участвуют в образовании связей. На самом деле в случае метана наблюдается три потенциала ионизации [6]. Первый и наименьший, 12,5 эВ, соответствует ионизации электронов с МО, описывающих связи С—Н при взаимодействии 2/>-электронов атома углерода с 15-электронами атомов водорода. Второй, 22,4 эВ, соответствует ионизации электронов с МО, описывающих связь С-Н при взаимодействии 25-элекгронов атома углерода с 15-электронами атомами водорода. Третий и наибольший 290,7 эВ, наибольший, соответствует ионизации 15-электронов атома углерода. Эти значения потенциалов ионизации можно сопоставить с потенциалами ионизации атома углерода и атома водорода, которые приведены в табл. 4.3. Видно, что соответствующие значения отличаются не сильно. Наблюдаемая картина легко объясняется в методе МО, но это требует более детального описания электронного строения методами квантовой химии, что выходит за рамки нашей книги. Таким образом, даже в случае самой простой молекулы метана теория гибридизации не всегда приводит к правильным результатам в описании электронного строения органических молекул.

Строение любой молекулы, строго говоря, определяется только

устойчивой совокупностью ядер и электронов, энергия которой

минимальна.

Молекула метана имеет тетраэдрическую структуру только потому, что система из четырех ядер атомов водорода и одного ядра атома углерода с десятью электронами имеет минимальную энергию только при тетраэдрической структуре! Молекула ацетилена имеет линейную структуру только потому, что энергия двух ядер углерода, двух протонов и 14 электронов минимальна при линейном строении. Однако абсолютно правильное представление о минимуме энергии как единственной причине, определяющей строение молекулы, оказывается неконструктивным при построении моделей на качественном уровне. Действительно, без проведения точных и сложных квантово-химических расчетов невозможно предсказать геометрию молекул. Тем не менее, несмотря на весьма приближенный характер правила Гиллеспи и представления о гибридизации, часто довольно удачно предсказывают правильную структуру молекул, которая соответствует минимуму полной энергии. Именно это обстоятельство позволяет успешно применять их на практике. Отказываться от использования этих упрощенных представлений не следует.

Литература

  • 1. Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой. — Л.: Химия, 1983.
  • 2. Бокий Г.Б. Кристаллохимия. — М.: Наука, 1971.
  • 3. GillespieR.J., Spencer J.N., Moog R.S. Demysifying introductory chemistry. Part 2. Bonding and molecular geometry without orbitals — the electron domain model//J.Chem.Ed. 1996. Vol. 73. No. 7. P. 622-627.
  • 4. ГиллеспиР, Харгиттаи И. Модель отталкивания электронных пар валентной оболочки и строение молекул. — М.: Мир, 1992.
  • 5. Хаускрофт А., Констэбл Э. Современный курс общей химии. Т. 1. — М.: Мир, 2002.
  • 6. Вовна В. И. Электронная структура органических соединений по данным фотоэлектронной спектроскопии. — М.: Наука, 1991.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >