электронным облаком или электронной орбиталью.
Таким образом, об электроне, который движется в данной области пространства, принято говорить, что он «находится на этой орбитали». При этом понятия «орбиталь» и «орбита» нельзя путать. Это — разные понятия.
Орбитали различаются формами, объемом и пространственным расположением. Установлено, что на одной орбитали может находиться не более двух электронов. Эти электроны, кроме движения вблизи ядра, еще вращаются вокруг собственной оси. Такое вращение называется спином (от англ. spindle — веретено). При этом один электрон вращается в одну сторону, а второй — в другую. Такие спины называются противоположными. Их изображают в виде двух противоположно направленных стрелок, размещенных в квадрате (квадрат — условное обозначение орбитали):
Электроны с противоположными спинами называют спаренными или неподеленной электронной парой.
Если атом углерода не образует связей с другими атомами, то его называют «невозбужденным». В таком атоме электроны располагаются следующим образом: на первом энергетическом уровне (К), который является в то же время 1s-подуровнем, находятся два электрона (1s2). На втором уровне (L), состоящем из двух подуровней — нижнего (2s) и более высокого (2p), располагаются соответственно два (2s2) и два (2p2) электрона (всего четыре). Электроны, находящиеся на 1s- или 2s-подуровнях, называются s-электронами, а на 2p-подуровнях — р-электронами.
Орбитали, образованные s-электронами, имеют форму шара (рис. 5), а орбитали 2p-электронов можно изобразить в виде объемной «восьмерки» или «гантели» (рис. 6).
Если орбиталь сферической формы имеет только одно расположение относительно осей координат, то гантелеобразные 2p-орбитали располагаются взаимно перпендикулярно друг к другу по осям х, у, z. Это и понятно: в этом случае наблюдается наименьшее отталкивание электронов друг от друга. Чтобы как-то отличать 2p-орбитали, их обозначают соответственно 2рх, 2ру, 2pz (рис. 7). Таким образом, каждая орбиталь в атоме имеет определенную форму и особое расположение в пространстве.
Находясь на разных уровнях и подуровнях, электроны обладают различной энергией. Так, 1s-электроны имеют меньшую энергию, чем 2s-электроны, а эти, в свою очередь, менее богаты энергией, чем 2p-электроны.
2.3. Гибрид из орбиталей
Итак, электронные орбитали различаются между собой размерами и формами, а также различным расположением в пространстве. Такие орбитали обозначают символами: 1s, 2s, 2рх, 2ру, 2pz. Первая цифра приблизительно определяет энергию электрона, следующая за ней буква — форму орбитали, а буква, расположенная снизу, показывает ориентацию орбиталей.
Теперь мы подошли к очень важной работе: распределим шесть электронов атома углерода по его атомным орбиталям. Это нетрудно сделать, зная общее количество электронов и орбиталей в атоме. Первая, ближайшая к ядру орбиталь (ls-подуровень) имеет два спаренных 1s-электрона (они, как известно, не принимают участия в образовании химических связей). Остальные четыре электрона располагаются так: два 2s-электрона — на нижнем 2s-подуровне (на одной орбитали) и 2р-электрона — на более высоком 2р-подуровне, но на разных орбиталях (по одному электрону на каждой). В результате такого распределения образуется следующая электронная конфигурация: 1s22s22p1x:2p1y2p0z, или сокращенно 1s22s22p2.
При такой записи добавляется еще одна цифра (сверху). Это показатель количества электронов на соответствующей орбитали. Запись электронной конфигурации все же нагляднее представить такой схемой:
Из этой схемы хорошо видно, что на внешнем электронном уровне два неспаренных 2р-электрона расположены на отдельных, «собственных» орбиталях. Энергия этих электронов одинакова, но она выше, чем у спаренных 2s-электронов, которые также находятся на внешнем электронном уровне. А еще из схемы видно, что одна из трех 2р-орбиталей «пустая» — там нет электронов. Но главное в том, что на внешнем энергетическом уровне расположены только два неспаренных 2р-электрона. Именно эти, неспаренные, электроны и могут образовать химическую связь. Спаренные же электроны (2s2) на это не способны! Но что же получается? Если исходить из того, что валентность любого элемента определяется числом его неспаренных электронов, то атом углерода... двухвалентный? Но это же противоречит фактам: во всех органических соединениях он четырехвалентен! Как объяснить такое противоречие?
Начнем с того, что при образовании химической связи атом углерода (как и любой другой) всегда становится «возбужденным». Это происходит потому, что реагирующие вещества при проведении химической реакции обычно нагревают или облучают светом, лучи которого обладают определенной энергией. Это делают для того, чтобы химическая реакция началась и полностью завершилась. Вот почему происходит «возбуждение» атома. При этом углеродный атом перестраивает электронную конфигурацию во втором энергетическом уровне: один из двух 2s-электронов переходит на свободную (третью) 2p-орбиталь:
После такого перехода на внешнем электронном уровне находятся уже не два, а четыре неспаренных электрона (один 2s- и три 2p-электрона). Таким образом, в «возбужденном» состоянии атом углерода имеет другую конфигурацию электронов: 1s22s2p3.
Конечно, для такого перехода, как уже говорили, необходимо затратить энергию, и, кстати, немалую. Но эта энергия не пропала даром. Наоборот, она окупается за счет того, что углерод становится четырехвалентным и способен теперь образовывать четыре химические связи.
Итак, на внешнем электронном уровне атома углерода четыре неспаренных электрона (2s, 2рх, 2py, 2pz,). Но энергия-то у них разная. У них даже формы орбиталей различаются: одна орбиталь — сферическая (не ориентирована в пространстве), а три другие — взаимно перпендикулярны друг к другу. Не приведет ли это к тому, что углеродный атом образует четыре различающиеся между собой химические связи? Нет, этого опасаться не стоит. И вот почему.
Хорошо известно, что в симметрично построенных молекулах (метан СН4, четыреххлористый углерод СCl4 и др.) четыре связи углерода практически одинаковы. Это происходит потому, что для атома крайне невыгодно, если его связи образованы электронами с различной энергией. Не только математический подход, но даже здравый смысл говорит о том, что в молекуле, например, метана электроны находятся не на «чистых» 2s- и 2p-орбиталях, а на смешанных — гибридных. Такие орбитали симметрично расположены в пространстве и имеют одинаковую энергию. Процесс образования гибридных орбиталей химики назвали гибридизацией.
Для атома углерода возможны три типа гибридизации. Рассмотрим их подробнее.
Первый тип гибридизации — sp3-гибридизация. Она происходит при «смешении» (комбинации) одной 2s-орбитали и трех 2p-орбиталей. В результате образуются четыре одинаковые sp3-гибридные орбитали, каждая из которых имеет грушевидную форму (одна часть «гантели» стала вытянутой в одну сторону от ядра) (рис. 8).
Такая форма очень выгодна. При образовании химических связей она способствует более полному перекрыванию с орбиталями других атомов. А чем полнее такое перекрывание, тем прочнее химическая связь. В пространстве четыре sp3-гибридные орбитали строго ориентированы друг относительно друга и образуют своими утолщенными областями геометрическую фигуру — тетраэдр. Поэтому углы между осями гибридных орбиталей составляют 109°28' (рис. 9). Углеродный атом с sp3-гибридными орбиталями участвует в образовании соединений с простой связью: метана, этана, пропана и подобных им углеводородов — алканов.
Второй тип гибридизации — sp2-гибридизация. При «смешении» одной 2s- и двух 2p-орбиталей образуются три одинаковые sp2-гибридные орбитали. Они располагаются в одной плоскости под утлом 120° друг к другу (рис. 10). Третья 2p-орбиталь не вступает в гибридизацию и сохраняет свою обычную форму. Эта орбиталь располагается в плоскости, которая перпендикулярна плоскости трех гибридных орбиталей (рис. 11). Этот тип гибридизации характерен для углерода, который входит в состав соединений с двойной связью — алкенов (например, этилена, пропилена и др.).
И наконец, sp-гибридизация. Она происходит при «смешении» одной 2s- и одной 2p-орбитали. В результате образуются две одинаковые sp-гибридные орбитали. Они расположены на одной линии под утлом 180° друг к другу (рис. 12). Две другие 2p-орбитали остаются негибридизованными и располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 13). Такая гибридизация характерна для углеводородов с тройной связью — алкинов (например, ацетилена).
Происходит ли процесс гибридизации в действительности? Нет. Это лишь математический прием, гипотеза химиков-теоретиков, не подтвержденная экспериментально. Но теория гибридизации оказала большую услугу химикам. Она позволяет объяснить характер образующихся связей, их особенности, но главное — показать пространственное строение многих органических молекул.