Алканы. Особенности строения. Методы синтеза. Реакции
Курсовой проект - Химия
Другие курсовые по предмету Химия
тетраэдрические sp3-орбитали;
б - предполагаемая форма: ядра водорода расположены так, что возможно максимальное перекрывание;
в - форма и размеры
Тетраэдрическая структура метана доказана методом дифракции электронов (рис. 1, в) - методом, который позволяет установить расположение атомов в таких простых молекулах. Ниже будут рассмотрены некоторые данные, на основании которых химики приняли тетраэдрическое строение атома углерода гораздо раньше, чем стали известны квантовая механика и метод дифракции электронов.
В формуле метана черточкой обычно обозначают каждую пару электронов, общую для углерода и водорода (I). В тех случаях, когда хотят сконцентрировать внимание на индивидуальной паре электронов, ее иногда обозначают двумя точками (II). И наконец, если рассматривается реальная форма молекулы, то используется простое изображение в трех измерениях (Ш).
Строение этана
Этан С2Н6 является следующим по величине после метана алканом. Если соединить атомы этой молекулы ковалентными связями, следуя правилу о существовании одной связи (одна пара электронов) для каждого атома водорода и четырех связей (четыре пары электронов) для каждого атома углерода, то получается структура
Каждый атом углерода связан с тремя атомами водорода и другим атомом углерода.
Поскольку каждый углеродный атом связан с четырьмя другими атомами, его связывающие орбитали (sр3-орбитали) направлены к вершинам тетраэдра. Как и в случае метана, связи углерод - водород возникают благодаря перекрыванию этих sр3-орбиталей с s-орбиталями водородов. Углерод-углеродная связь возникает в результате перекрывания двух sр3-орбиталей.
Распределение электронов обеих связей - углерод-водородной и углерод-углеродной - одинаково и имеет цилиндрическую симметрию относительно линии, связывающей атомные ядра (рис. 2); благодаря такому сходству по форме связи имеют одинаковое название - s-связи (сигма-связи).
Рис. 2. ? Молекула этана. Простая связь углерод - углерод: s-связь. Форма и размеры
В этане углы и длины углерод-водородных связей должны быть такими же, как в метане, т.е. приблизительно 109,5 (1,911 рад) и 1,09 А (10,9 х 10-2 нм) соответственно. Такая структура этана полностью подтверждена методом дифракции электронов и спектральными исследованиями; соответствующие измерения дали следующие значения для молекулы этана (рис. 2.2): углы связей 109,5 (1,911 рад); длина связи С-Н 1,10 А (11,010-2 нм) и длина связи С-С 1,54 А (15,410-2 нм). Аналогичные исследования показали, что эти величины с небольшими отклонениями характерны для углов связей и длин связей углерод - водород и углерод - углерод в алканах.
Приведенные выше значения углов и длин связей не ограничивают нас одним-единственным расположением атомов в молекуле этана, поскольку не определено отношение между атомами водорода, связанными с одним атомом углерода, и атомами водорода, связанными с другим. Возможно расположение типа I, в котором атомы водорода находятся точно друг за другом, и расположение типа II, когда атомы водорода, связанные с одним углеродным атомом, расположены между атомами водорода, связанными с другим атомом углерода, т.е. заторможены, а также неопределенное число промежуточных расположений. Какое же из них отвечает истинному строению этана? Все.
s-Связь между атомами углерода имеет цилиндрическую симметрию относительно линии, связывающей два ядра углерода; перекрывание и, следовательно, прочность связи должны быть одинаковыми для всех этих расположений. Если различные расположения атомов в молекуле не отличаются по энергии, то молекула не ограничена каким-либо одним расположением, а может свободно изменяться из одного в другое. Поскольку такой переход происходит в результате вращения вокруг углерод-углеродной связи, то говорят, что существует свободное вращение вокруг простой углерод-углеродной связи.
Рис. 3. ? Зависимость потенциальной энергии этана от угла поворота вокруг простой углерод-углеродной связи
Различные расположения атомов, которые могут взаимно превращаться друг в друга путем вращения вокруг простых углерод-углеродных связей, называются конформациями. Конформация I называется заслоненной, а конформация II - заторможенной (промежуточные конформации носят название скошенных).
Для изображения различных конформаций очень удобны так называемые проекции Ньюмена (по имени М.С. Ньюмена, Университет штата Огайо, который впервые предложил их использование).
Однако некоторые физические свойства свидетельствуют о том, что вращение вокруг простой углерод-углеродной связи не совсем свободно: существует энергетический барьер около 3 ккал/моль (12,56103 Дж/моль). Потенциальная энергия молекулы минимальна для заторможенной конформации; эта энергия возрастает при вращении и достигает максимума для заслоненной конформации (рис. 3). Большая часть молекул этана, естественно, существует в виде наиболее устойчивой заторможенной конформации; другими словами, любая молекула большую часть времени находится в наиболее устойчивой конформации.
Насколько свободно вращение в молекулах этана для перехода из одной заторможенной конформации в другую? Барьер в 3 ккал (12,56103 Дж) не является очень высоким; даже при комнатной температуре энергия столкновений достаточно велика, чтобы происходило быстрое взаимопревращение между заторможе