В предыдущих двух сериях мы, во-первых, обратили внимание на то, что в одном из наиболее важных трудов органики особое место уделено атому углерода, а именно его валентности, во-вторых, определили, что атомы углерода - это фундамент всех органических соединений и поговорили о причинах их многообразия.
Наша задача на сегодня: отталкиваясь от природы атома углерода объяснить один из основных постулатов теории строения органических соединений А.М. Бутлерова, согласно которой валентность атома углерода равна 4, то есть атом углерода образует 4 химические связи.
Для этого рассмотрим одно из простейших органических соединений - газ метан, структурную формулу которого мы видим выше.
Согласно строению молекулы метана углерод образует 4 химические связи с четырьмя атомами водорода. Что важно, это никак не проистекает из строения электронной оболочки атома углерода!
Такая электронная конфигурация атома углерода называется его основным состоянием. Проанализируем основное состояние атома углерода: мы видим, что на p-подуровне второго энергетического уровня имеется 2 неспаренных электрона, то есть в основном состоянии атом углерода может образовать только две ковалентные связи (ковалентные связи - связи образованные за счёт обобществлённых электронных пар, в образовании обобществлённых электронных пар могут участвовать лишь неспаренные электроны. Ковалентные связи возникают между атомами неметаллов: углерод и водород - неметаллы).
Таким образом данная электронная конфигурация никак не объясняет ни упомянутого постулата о валентности углерода равной 4, ни строения молекулы метана. И вот, мы подходим к озаглавленной нами теме:
Дело в том, что для образования четырёх химических связей атому углерода необходимо, как мы сказали, "возбудиться", перейти в возбуждённое состояние!
То есть, атом углерода, "мечтая" образовать 4 химические связи вместо двух, затрачивает некоторое количество внутренней энергии для перехода в возбуждённое состояние. "Возбуждение" отражается на строении его электронной оболочки, посмотрите - неподелённая электронная пара на s-подуровне второго энергетического уровня расспаривается, в результате чего атом углерода получает 4 неспаренных электрона, за счёт которых и образует 4 химические связи, энергетическая ценность которых перекрывает допущенные атомом затраты энергии.
Не смотря на то, что мы ответили на поставленный нами вопрос, попробуем сделать затравку и для будущего разговора:
если мы внимательно рассмотрим возбуждённое состояние атома углерода, то мы обратим внимание на тот факт, что 4 неспаренных электрона в этом состоянии находятся на разных электронных орбиталях, то есть обладают разным запасом свободной энергии (смотрите сезон 1 на этом канале), это значит, что и химические связи в молекуле метана (посмотрите, там 4 химические связи углерода-водород), образованные данными электронами, должны отличаться друг от друга! На практике же дела обстоят иначе, и все 4 химические связи в молекуле метана эквивалентные, то есть, одинаковые. Чтобы объяснить данное противоречие, в следующей серии мы введём понятие гибридизации.
А чтобы узнать, что такое гибридизация атома углерода и какую она играет роль в химии углерода, подписывайтесь на канал)