Будова атома вуглецю

В даний час органічну хімію розглядають як хімію з’єднань вуглеводу, але, віддаючи данину поваги історії, як і раніше продовжують називати її органічною хімією. Тому так важливо більш докладно розглянути будову атома цього елемента, характер і просторове напрямок утворюваних нею хімічних зв’язків.

Атом вуглецю складається з ядра, що має позитивний заряд +6 (так як містить шість протонів), і електронної оболонки, на якому знаходяться шість електронів, розташованих на двох енергетичних рівнях (шарах).

Реальне будова атома вуглецю набагато складніше, ніж представлено на наведеній схемі.

Справа в тому, що рухається в просторі навколо ядра електрон має одночасно властивостями і частинки (має масу 1/1840 від маси протона або нейтрона), і хвилі (здатний до обгинанні перешкод – дифракції, характеризується певною довжиною хвилі, амплітудою і частотою коливань і т . д.). Не можна точно визначити положення електрона в просторі навколо ядра. Тому говорять про більшу чи меншу ймовірність перебування електрона в даній області простору. Якби ми могли сфотографувати атом і на знімку положення електрона відбивалося б у вигляді точки, то при накладенні величезного числа таких знімків ми отримали б картину електронної хмари. Чим більше щільність цієї хмари, тим з більшою ймовірністю електрон знаходиться в цій галузі. Простір навколо ядра, в якому укладено 90% електронної хмари, називається орбиталью. Це означає, що 90% часу електрон знаходиться в цьому обмеженому просторі. Надалі ми будемо розуміти терміни «орбіталь» і «хмара» як рівноцінні.

Атом вуглецю має два види орбіталей: s-орбіталі сферичної форми і р-орбіталі у формі гантелі або об’ємної вісімки (рис. 2). Ці орбіталі відрізняються один від одного не тільки формою, але і віддаленістю від ядра атома. Чим більш віддалена від ядра орбіталь, тим більшу енергію має електрон на цій орбіталі. Енергія електрона – найважливіша характеристика його стану. Причому, і це дуже важливо, енергія електрона в атомі може приймати тільки певні значення, а сам електрон може займати орбіталь різних енергетичних рівнів. Ці орбіталі відрізняються значенням енергії знаходиться на них електрона.

Щоб розрізняти енергетичні рівні, їх нумерують у порядку віддалення від ядра. Найближчий до ядра – перший (1), потім другий (2) і т. Д.

В атомі вуглецю перший рівень становить один s-орбіталь, на якій знаходяться два електрони. Другий енергетичний рівень атома вуглецю також містить s-орбіталь, але більшого розміру (запас енергії електронів на ній вище, ніж у електронів s-орбіталі першого рівня), а також три р-орбіталі. Це гантелеобразная орбіталі однакового розміру, осі яких взаємно перпендикулярні, подібно осяхкоординат х, у і z (див. Рис. 2). Кожну орбіталь можуть займати два електрони, але з протилежними значеннями спинив.

Спін (від англ. To spin – обертатися) – це власний момент імпульсу електрона (при введенні поняття «спін» в 1925 р припускали, що магнітні властивості електрона як зарядженої частинки викликані його обертанням навколо власної осі). Спін електрона проявляється лише при взаємодії його з іншими електронами і з зовнішнім магнітним полем. Спін може мати тільки два значення: + 1/2 і -1/2 »

Щоб уявити розташування електронів в атомі, треба пам’ятати, що кожен електрон займає енергетично найбільш вигідне положення, при якому запас його енергії буде найменшим. Він завжди прагне зайняти найбільш близьке до ядра положення і потрапити на орбіталь більш простої форми (наприклад, спочатку на s-, а вже потім на р орбіталь). Якщо в межах одного рівня є кілька однакових орбіталей, електрони розміщуються спочатку кожен на окремій орбіталі з однаковими спинами, а вже затемпопарно, але з протилежними спинами. Відповідно електронна формула атома вуглецю буде мати вигляд 1s22s22p2.

Дуже часто будова електронних оболонок атомів відображають за допомогою електронно-графічних формул. У них кожна орбіталь позначається однією кліткою; кожен електрон – стрілкою; напрямок стрілки символізує напрямок спина.

Валентність хімічного елемента найчастіше визначається числом неспарених електронів. Атом вуглецю, як видно з електронно-графічної формули, має два неспарених електрона, тому з їх участю можуть утворитися дві електронні пари, здійснюють дві ковалентні зв’язки. Однак в органічних сполуках вуглець не дво-, а четирехвалентен. Це можна пояснити тим, що у збудженому (отримав додаткову енергію) атомі відбувається розпарювання 2s-електронів і перехід одного з них на 2р-орбіталь.

Посилання на основну публікацію