מגוון חומרים אנאורגניים ואורגניים

כימיה אורגנית היא כימיה תרכובות פחמן. תרכובות פחמן אנאורגניות כוללות: תחמוצות פחמן, חומצה פחמנית, קרבונטים וביקרבונטים, קרבידים. חומר אורגני מלבד פחמן מכילים מימן, חמצן, חנקן, זרחן, גופרית ואלמנטים אחרים. אטומי פחמן יכולים ליצור שרשראות ארוכות לא מסועפות ומסועפות, טבעות, לחבר יסודות אחרים, כך שמספר התרכובות האורגניות התקרב ל-20 מיליון, בעוד שיש קצת יותר מ-100 אלף חומרים אנאורגניים.

הבסיס לפיתוח כימיה אורגנית הוא התיאוריה של המבנה של תרכובות אורגניות מאת א.מ.בוטלרוב. תפקיד חשוב בתיאור המבנה של תרכובות אורגניות שייך למושג הערכיות, המאפיין את יכולתם של האטומים ליצור קשרים כימיים וקובע את מספרם. פחמן בתרכובות אורגניות תמיד טטרוולנטי. ההנחה העיקרית של התיאוריה של A.M. Butlerov היא העמדה על המבנה הכימי של החומר, כלומר הקשר הכימי. סדר זה מוצג באמצעות נוסחאות מבניות. התיאוריה של באטלרוב קובעת את הרעיון שיש לכל חומר מבנה כימי מסויםו תכונות החומרים תלויות במבנה.

התיאוריה של המבנה הכימי של תרכובות אורגניות A. M. Butlerova

כשם שלכימיה אי-אורגנית הבסיס להתפתחות הוא החוק המחזורי והמערכת המחזורית של יסודות כימיים של D.I.Mendeleev, לכימיה אורגנית היא הפכה לבסיסית.

התיאוריה של המבנה הכימי של תרכובות אורגניות A. M. Butlerova

ההנחה העיקרית של התיאוריה של באטלרוב היא העמדה על המבנה הכימי של חומר, המובן כסדר, רצף השילוב ההדדי של אטומים למולקולות, כלומר. קשר כימי.

מבנה כימי- סדר החיבור של אטומים של יסודות כימיים במולקולה לפי ערכיותם.

ניתן להציג סדר זה באמצעות נוסחאות מבניות, שבהן ערכיות האטומים מסומנת במקפים: מקף אחד מתאים ליחידת הערכיות של אטום של יסוד כימי. לדוגמה, עבור החומר האורגני מתאן, בעל הנוסחה המולקולרית CH 4, הנוסחה המבנית נראית כך:

ההוראות העיקריות של התיאוריה של A.M. Butlerov:

האטומים במולקולות של חומרים אורגניים מחוברים זה לזה לפי הערכות שלהם. פחמן בתרכובות אורגניות הוא תמיד ארבע-ערכי, והאטומים שלו מסוגלים להתחבר זה לזה ויוצרים שרשראות שונות.

תכונות החומרים נקבעות לא רק לפי ההרכב האיכותי והכמותי שלהם, אלא גם לפי סדר החיבור של אטומים במולקולה, כלומר. המבנה הכימי של החומר.

התכונות של תרכובות אורגניות תלויות לא רק בהרכב החומר ובסדר החיבור של האטומים במולקולה שלו, אלא גם ב השפעה הדדית של אטומיםוקבוצות של אטומים זה לזה.

תורת המבנה של תרכובות אורגניות היא דוקטרינה דינמית ומתפתחת. עם התפתחות הידע על מהות הקשר הכימי, על השפעת המבנה האלקטרוני של מולקולות החומרים האורגניים, החלו להשתמש, בנוסף לאמפיריות ומבניות, בנוסחאות אלקטרוניות. נוסחאות אלו מראות את הכיוון תזוזות של זוגות אלקטרונים במולקולה.

כימיה קוונטית וכימיה של מבנה תרכובות אורגניות אישרו את התיאוריה של הכיוון המרחבי של קשרים כימיים (איזומריזם ציס וטרנס), חקרו את מאפייני האנרגיה של מעברים הדדיים באיזומרים, אפשרו לשפוט את ההשפעה ההדדית של אטומים ב. המולקולות של חומרים שונים, יצרו את התנאים המוקדמים לניבוי סוגי האיזומריזם וכיוונים ומנגנונים של תגובות כימיות.

לחומרים אורגניים יש מספר תכונות.

ההרכב של כל החומרים האורגניים כולל פחמן ומימן, ולכן, כאשר שורפים הם נוצרים פחמן דו חמצני ומים.

·חומר אורגני מתחם בנויויכול להיות בעל משקל מולקולרי עצום (חלבונים, שומנים, פחמימות).

חומרים אורגניים יכולים להיות מסודרים בשורות דומות בהרכבם, במבנה ובתכונות הומולוגיות.

עבור חומרים אורגניים, זה אופייני איזומריזם.

איזומריזם והומולוגיה של חומרים אורגניים

המאפיינים של חומרים אורגניים תלויים לא רק בהרכבם, אלא גם ב סדר החיבור של אטומים במולקולה.

איזומריזם- זוהי התופעה של קיומם של חומרים שונים - איזומרים בעלי אותו הרכב איכותי וכמותי, כלומר עם אותה נוסחה מולקולרית.

ישנם שני סוגים של איזומריזם: מבניים ומרחביים(סטריאואיזומריזם). איזומרים מבניים נבדלים זה מזה בסדר הקשר של אטומים במולקולה; סטריאואיזומרים - סידור האטומים במרחב עם אותו סדר קשרים ביניהם.

הסוגים העיקריים של איזומריזם:

איזומריזם מבני - חומרים שונים בסדר הקשר של אטומים במולקולות:

1) איזומריזם של שלד הפחמן;

2) איזומריזם עמדתי:

• איגרות חוב מרובות;
• סגנים;
• קבוצות פונקציונליות;

3) איזומריזם של סדרות הומולוגיות (בין-מעמדות).

· איזומריזם מרחבי - מולקולות של חומרים שונות לא בסדר חיבור האטומים, אלא במיקומן במרחב: ציס-, טרנס-איזומריזם (גיאומטרי).

סיווג של חומרים אורגניים

ידוע שתכונותיהם של חומרים אורגניים נקבעות על פי הרכבם והמבנה הכימי שלהם. לכן, אין זה מפתיע שהסיווג של תרכובות אורגניות מבוסס על תורת המבנה - התיאוריה של א.מ.בוטלרוב. סיווג חומרים אורגניים לפי נוכחות וסדר החיבור של אטומים במולקולות שלהם. החלק הכי עמיד והכי פחות משתנה של מולקולת חומר אורגני הוא שלו שלד - שרשרת של אטומי פחמן. בהתאם לסדר החיבור של אטומי פחמן בשרשרת זו, חומרים מחולקים ל אציקלי, לא מכיל שרשראות סגורות של אטומי פחמן במולקולות, ו קרבוציקליהמכילים שרשראות (מחזורים) כאלה במולקולות.

בנוסף לאטומי פחמן ומימן, מולקולות של חומרים אורגניים עשויות להכיל אטומים של יסודות כימיים אחרים. חומרים במולקולות שהטרואטומים האלה כביכול כלולים בשרשרת סגורה מסווגים כתרכובות הטרוציקליות.

הטרואטומים(חמצן, חנקן וכו') יכולים להיות חלק ממולקולות ותרכובות אציקליות, ויוצרות בהן קבוצות פונקציונליות, למשל,

הידרוקסיל

קרבוניל

,

קרבוקסיל

,

קבוצת אמינו

.

קבוצה פונקציונלית- קבוצת אטומים הקובעת את התכונות הכימיות האופייניות ביותר של חומר ואת השתייכותו למחלקה מסוימת של תרכובות.

מינוח של תרכובות אורגניות

בתחילת התפתחות הכימיה האורגנית, הוקצו תרכובות שהתגלו שמות טריוויאליים, הקשורים לעתים קרובות להיסטוריה של ייצורם: חומצה אצטית (שהיא הבסיס לחומץ יין), חומצה בוטירית (נוצרת בחמאה), גליקול (כלומר "מתוק") וכו'. ככל שגדל מספר החומרים החדשים שהתגלו, התעורר צורך לשייך שמות למבנה שלהם. כך הופיעו שמות רציונליים: מתילאמין, דיאתילמין, אלכוהול אתילי, מתיל אתיל קטון, המבוססים על שם התרכובת הפשוטה ביותר. עבור תרכובות מורכבות יותר, המינוח הרציונלי אינו מתאים.

תורת המבנה של A.M. Butlerov סיפקה את הבסיס לסיווג ולמינוח של תרכובות אורגניות לפי יסודות מבניים וסידור אטומי פחמן במולקולה. נכון לעכשיו, המשמש ביותר הוא המינוח שפותח על ידי האיגוד הבינלאומי לכימיה טהורה ויישומית (IUPAC), הנקראת המינוח IUPAC. כללי IUPAC ממליצים על מספר עקרונות ליצירת שמות, אחד מהם הוא עקרון ההחלפה. על בסיס זה פותחה מינוח חלופי, שהוא האוניברסלי ביותר. הנה כמה כללים בסיסיים של מינוח החלפה ושקול את היישום שלהם באמצעות הדוגמה של תרכובת הטרו-פונקציונלית המכילה שתי קבוצות פונקציונליות - חומצת האמינו לאוצין:

1. שם התרכובות מבוסס על מבנה האב (השרשרת הראשית של מולקולה א-ציקלית, מערכת קרבוציקלית או הטרוציקלית). שמו של מבנה האבות הוא הבסיס של השם, שורש המילה.

במקרה זה, מבנה האב הוא שרשרת של חמישה אטומי פחמן המקושרים בקשרים בודדים. לפיכך, החלק השורשי של השם הוא פנטאן.

2. קבוצות ותחליפים אופייניים (יסודות מבניים) מסומנים בקידומות ובסיומות. קבוצות אופייניות מחולקות לפי הוותק. סדר העדיפויות של הקבוצות העיקריות:

מזוהה קבוצת המאפיינים הבכירים, אשר מסומנת בסיומת. כל שאר התחליפים נקראים בקידומת בסדר אלפביתי.

במקרה זה, הקבוצה האופיינית הבכירה היא קרבוקסיל, כלומר תרכובת זו שייכת לקבוצת החומצות הקרבוקסיליות, ולכן אנו מוסיפים חומצה -אואית לחלק השורש של השם. הקבוצה השנייה הבכירה ביותר היא קבוצת האמינו, המסומנת בקידומת amino-. בנוסף, המולקולה מכילה תחליף פחמימני מתיל-. לפיכך, הבסיס של השם הוא חומצה aminomethylpentanoic.

3. השם כולל את ייעודו של קשר כפול ומשולש, שבא מיד אחרי השורש.

התרכובת הנבדקת אינה מכילה ריבוי קשרים.

4. האטומים של מבנה האב ממוספרים. המספור מתחיל מקצה שרשרת הפחמן, הקרובה יותר לקבוצה האופיינית הגבוהה ביותר:

מספור השרשרת מתחיל מאטום הפחמן שהוא חלק מקבוצת הקרבוקסיל, הוא מקבל את המספר 1. במקרה זה, קבוצת האמינו תהיה בפחמן 2, ומתיל בפחמן 4.

לפיכך, חומצת האמינו הטבעית לאוצין, על פי כללי המינוח של IUPAC, נקראת חומצה 2-אמינו-4-מתיל-פנטנואית.

פחמימנים. סיווג פחמימנים

פחמימניםהם תרכובות המורכבות רק מאטומי מימן ופחמן.

בהתאם למבנה שרשרת הפחמן, תרכובות אורגניות מחולקות לתרכובות עם שרשרת פתוחה - אציקלי(אליפאטי) ו מַחזוֹרִי- עם שרשרת סגורה של אטומים.

המחזורים מתחלקים לשתי קבוצות: תרכובות קרבוציקליות(מחזורים נוצרים רק על ידי אטומי פחמן) ו הטרוציקלי(המחזורים כוללים גם אטומים אחרים, כגון חמצן, חנקן, גופרית).

תרכובות קרבוציקליות, בתורן, כוללות שתי סדרות של תרכובות: אליציקליו אֲרוֹמָתִי.

תרכובות ארומטיות בבסיס המבנה של מולקולות יש מחזורים מישוריים המכילים פחמן עם מערכת סגורה מיוחדת של p-אלקטרונים, היוצרים מערכת π משותפת (ענן π-אלקטרון בודד). ארומטיות אופיינית גם לתרכובות הטרוציקליות רבות.

כל שאר התרכובות הקרבוציקליות שייכות לסדרה האליציקלית.

גם פחמימנים א-ציקליים (אליפטיים) וגם פחמימנים מחזוריים יכולים להכיל קשרים מרובים (כפולים או משולשים). פחמימנים אלו נקראים ללא הגבלה(בלתי רווי), בניגוד למגביל (רווי), המכיל רק קשרים בודדים.

פחמימנים אליפטיים מוגבלים נקראים אלקנים, יש להם את הנוסחה הכללית C n H 2n+2, כאשר n הוא מספר אטומי הפחמן. השם הישן שלהם משמש לעתים קרובות כיום - פרפינים:

פחמימנים אליפטים בלתי רוויים המכילים קשר כפול אחד נקראים אלקנים. יש להם את הנוסחה הכללית C n H 2n:

פחמימנים אליפטיים בלתי רוויים עם שני קשרים כפולים נקראים אלקדיאנים. הנוסחה הכללית שלהם היא C n H 2n-2:

פחמימנים אליפטיים בלתי רוויים עם קשר משולש אחד נקראים אלקינים. הנוסחה הכללית שלהם היא C n H 2n - 2:

הגבל פחמימנים אליציקליים - ציקלו-אלקנים, הנוסחה הכללית שלהם C n H 2n:

קבוצה מיוחדת של פחמימנים, ארומטיים, או ארנס(עם מערכת n-אלקטרונים משותפת סגורה), הידועה מהדוגמה של פחמימנים עם הנוסחה הכללית C n H 2n - 6:

לפיכך, אם במולקולות שלהם אטום מימן אחד או יותר מוחלפים באטומים אחרים או קבוצות של אטומים (הלוגנים, קבוצות הידרוקסיל, קבוצות אמינו וכו'), נוצרות נגזרות פחמימנים: נגזרות הלוגן, מכילות חמצן, המכילות חנקן ועוד. תרכובות אורגניות.

סדרה הומולוגית של פחמימנים

פחמימנים ונגזרותיהם עם אותה קבוצה פונקציונלית יוצרים סדרות הומולוגיות.

סדרה הומולוגיתמספר תרכובות השייכות לאותה מחלקה (הומולוגים) נקראות, המסודרות בסדר עולה של משקלן המולקולרי היחסי, דומות במבנה ובתכונות הכימיות, כאשר כל איבר שונה מהקודם בהבדל ההומולוגי CH 2 . לדוגמא: CH 4 - מתאן, C 2 H 6 - אתאן, C 3 H 8 - פרופאן, C 4 H 10 - בוטאן וכו'. הדמיון בין התכונות הכימיות של ההומולוגיות מפשט מאוד את חקר התרכובות האורגניות.

איזומרים של פחמימנים

אותם אטומים או קבוצות של אטומים שקובעים את התכונות האופייניות ביותר של מחלקה נתונה של חומרים נקראים קבוצות פונקציונליות.

ניתן לראות בנגזרות הלוגן של פחמימנים כמוצרים של החלפה בפחמימנים של אטום מימן אחד או יותר באטומי הלוגן. בהתאם לכך, יכולים להיות מונו-, di-, tri- (במקרה הכללי, poly-) מגבילים ובלתי מוגבלים. נגזרות הלוגן.

הנוסחה הכללית של נגזרות מונו-הלוגן של פחמימנים רוויים:

וההרכב בא לידי ביטוי בנוסחה

כאשר R הוא שארית הפחמימן הרווי (אלקאן), רדיקל פחמימני (כינוי זה משמש עוד כאשר בוחנים מחלקות אחרות של חומרים אורגניים), Г הוא אטום הלוגן (F, Cl, Br, I).

לדוגמה:

הנה דוגמה אחת לנגזרת דיהלוגן:

ל חומר אורגני מחומצןכוללים אלכוהול, פנולים, אלדהידים, קטונים, חומצות קרבוקסיליות, אתרים ואסטרים. אלכוהול הם נגזרות של פחמימנים שבהם אטום מימן אחד או יותר מוחלפים בקבוצות הידרוקסיל.

אלכוהולים נקראים חד-הידריים אם יש להם קבוצת הידרוקסיל אחת, ומגבילים אם הם נגזרות של אלקנים.

נוסחה כללית לגבול אלכוהול חד-הידרי:

והרכבם מתבטא בנוסחה הכללית:

לדוגמה:

דוגמאות ידועות אלכוהולים רב-הידריים, כלומר בעל מספר קבוצות הידרוקסיל:

פנולים- נגזרות של פחמימנים ארומטיים (סדרת בנזן), שבהן אטום מימן אחד או יותר בטבעת הבנזן מוחלפים בקבוצות הידרוקסיל.

הנציג הפשוט ביותר עם הנוסחה C 6 H 5 OH או

שנקרא פנול.

אלדהידים וקטונים- נגזרות של פחמימנים המכילים קבוצת קרבוניל של אטומים

(קרבוניל).

במולקולות אלדהידיםקשר אחד של הקרבוניל הולך לחיבור עם אטום המימן, השני - עם הרדיקל הפחמימני. נוסחה כללית של אלדהידים:

לדוגמה:

מתי קטוניםקבוצת הקרבוניל קשורה לשני רדיקלים (בדרך כלל שונים), הנוסחה הכללית של קטונים היא:

לדוגמה:

הרכב האלדהידים והקטונים המגבילים מתבטא בנוסחה C 2n H 2n O.

חומצות קרבוקסיליות- נגזרות של פחמימנים המכילים קבוצות קרבוקסיל

(או -COOH).

אם יש קבוצת קרבוקסיל אחת במולקולת החומצה, אז החומצה הקרבוקסילית היא חד-בסיסית. הנוסחה הכללית של חומצות מונו-בסיסיות רוויות:

הרכבם מתבטא בנוסחה C n H 2n O 2 .

לדוגמה:

אתריםהם חומרים אורגניים המכילים שני רדיקלים פחמימנים המחוברים באטום חמצן: R-O-R או R 1 -O-R 2 .

הרדיקלים עשויים להיות זהים או שונים. הרכב האתרים מתבטא בנוסחה C n H 2n+2 O.

לדוגמה:

אסטרים- תרכובות הנוצרות על ידי החלפת אטום המימן של קבוצת הקרבוקסיל בחומצות קרבוקסיליות ברדיקל פחמימני.

נוסחה כללית של אסטרים:

לדוגמה:

תרכובות ניטרו- נגזרות של פחמימנים שבהם אטום מימן אחד או יותר מוחלפים בקבוצת ניטרו -NO 2 .

נוסחה כללית של תרכובות מונוניטרו מגבילות:

וההרכב מבוטא בנוסחה הכללית C n H 2n+1 NO 2 .

לדוגמה:

נגזרות של ארן ניטרו:

אמינים- תרכובות הנחשבות כנגזרות של אמוניה (NH 3), שבהן אטומי מימן מוחלפים ברדיקלים פחמימניים. בהתאם לאופי הרדיקל, אמינים יכולים להיות אליפטיים, למשל:

וארומטי, למשל:

בהתאם למספר אטומי המימן המוחלפים ברדיקלים, ישנם:

אמינים ראשונייםעם הנוסחה הכללית:

מִשׁנִי- עם הנוסחה הכללית:

שלישי- עם הנוסחה הכללית:

במקרה מסוים, לאמינים משניים ושלישוניים עשויים להיות אותם רדיקלים.

אמינים ראשוניים יכולים להיחשב גם כנגזרות של פחמימנים (אלקנים), שבהם אטום מימן אחד מוחלף בקבוצת אמינו -NH 2 . הרכב האמינים הראשוניים המגבילים מתבטא בנוסחה C n H 2n + 3 N.

לדוגמה:

חומצות אמינו מכילות שתי קבוצות פונקציונליות המחוברות לרדיקל פחמימני: קבוצת האמינו -NH 2 וקרבוקסיל -COOH.

הנוסחה הכללית של חומצות אמינו α (הן חשובות ביותר לבניית החלבונים המרכיבים אורגניזמים חיים):

ההרכב של חומצות אמינו מגבילות המכילות קבוצת אמינו אחת וקרבוקסיל אחד מבוטא בנוסחה C n H 2n+1 NO 2.

לדוגמה:

ידועות תרכובות אורגניות חשובות אחרות שיש להן מספר קבוצות פונקציונליות שונות או זהות, שרשראות ליניאריות ארוכות הקשורות לטבעות בנזן. במקרים כאלה, הגדרה קפדנית של האם חומר שייך למחלקה מסוימת היא בלתי אפשרית. תרכובות אלו מבודדות לרוב לקבוצות ספציפיות של חומרים: פחמימות, חלבונים, חומצות גרעין, אנטיביוטיקה, אלקלואידים וכו'.

נכון לעכשיו, ישנן גם תרכובות רבות שניתן לסווג הן אורגניות והן לא אורגניות. x נקראות תרכובות אורגנואלמנטים. חלקם יכולים להיחשב כנגזרות של פחמימנים.

לדוגמה:

ישנן תרכובות בעלות אותה נוסחה מולקולרית המבטאת את הרכב החומרים.

תופעת האיזומריזם מורכבת מכך שיכולים להיות מספר חומרים בעלי תכונות שונות בעלי אותו הרכב של מולקולות, אך מבנים שונים. חומרים אלו נקראים איזומרים.

במקרה שלנו, מדובר באיזומרים בין-מעמדיים: ציקלו-אלקנים ואלקנים, אלקדיאנים ואלקנים, אלכוהולים ואתרים חד-הידריים רוויים, אלדהידים וקטונים, חומצות קרבוקסיליות מונו-בסיסיות רוויות ואסטרים.

איזומריזם מבני

יש את הזנים הבאים איזומריזם מבני: איזומריזם שלד פחמן, איזומריזם מיקום, איזומריזם של מחלקות שונות של תרכובות אורגניות (איזומריזם בין-מעמדי).

האיזומריות של שלד הפחמן נובעת מ סדר קשר שונה בין אטומי פחמןהיוצרים את השלד של המולקולה. כפי שכבר הוצג, הנוסחה המולקולרית C 4 H 10 מתאימה לשני פחמימנים: n-בוטאן ואיזובוטן. עבור הפחמימן C 5 H 12, שלושה איזומרים אפשריים: פנטן, איזופנטן וניאופטן.

עם עלייה במספר אטומי הפחמן במולקולה, מספר האיזומרים גדל במהירות. עבור הפחמימנים C 10 H 22 יש כבר 75 מהם, ועבור הפחמימנים C 20 H 44 - 366 319.

איזומריזם מיקום נובע מהמיקום השונה של הקשר המרובה, התחליף, הקבוצה הפונקציונלית עם אותו שלד פחמן של המולקולה:

האיזומריזם של מחלקות שונות של תרכובות אורגניות (איזומריזם בין-מעמדי) נובע ממיקום ושילוב שונה של אטומים במולקולות של חומרים בעלי אותה נוסחה מולקולרית, אך שייכים למחלקות שונות. אז, הנוסחה המולקולרית C 6 H 12 מתאימה לפחמימן הבלתי רווי hexene-1 ולפחמימן המחזורי cyclohexane.

האיזומרים הם פחמימן הקשור לאלקינים - בוטין-1 ופחמימן בעל שני קשרים כפולים בשרשרת בוטאדיאן-1,3:

לדיאתיל אתר ולאלכוהול בוטיל יש את אותה נוסחה מולקולרית C 4 H 10 O:

איזומרים מבניים הם חומצה אמינו-אצטית וניטרואתאן, התואמים את הנוסחה המולקולרית C 2 H 5 NO 2:

איזומרים מסוג זה מכילים קבוצות פונקציונליות שונות ושייכים לקבוצות שונות של חומרים. לכן, הם שונים בתכונות הפיזיקליות והכימיות הרבה יותר מאשר איזומרים של שלד פחמן או איזומרי מיקום.

איזומריזם מרחבי

איזומריזם מרחבימתחלק לשני סוגים: גיאומטרי ואופטי.

איזומריזם גיאומטרי אופייני לתרכובות, המכילים קשרים כפולים, ותרכובות מחזוריות. מכיוון שהסיבוב החופשי של אטומים סביב קשר כפול או במחזור בלתי אפשרי, תחליפים יכולים להיות ממוקמים בצד אחד של המישור של הקשר הכפול או המחזור (מצב cis), או בצדדים מנוגדים (טרנספוזיציה). הכינויים cis-ו-trans- מתייחסים בדרך כלל לזוג תחליפים זהים.

איזומרים גיאומטריים שונים בתכונות פיזיקליות וכימיות.

מתרחשת איזומריזם אופטי אם המולקולה אינה תואמת את התמונה שלה במראה. זה אפשרי כאשר לאטום הפחמן במולקולה יש ארבעה תחליפים שונים. אטום זה נקרא אסימטרי. דוגמה למולקולה כזו היא מולקולת α-aminopropionic acid (α-alanine) CH 3 CH(NH 2)OH.

מולקולת α-אלנין אינה יכולה לחפוף לתמונת המראה שלה בשום תנועה. איזומרים מרחביים כאלה נקראים מראה, אנטיפודים אופטיים או אננטיומרים. כל התכונות הפיזיקליות וכמעט כל התכונות הכימיות של איזומרים כאלה זהים.

חקר איזומריזם אופטי נחוץ כאשר בוחנים תגובות רבות המתרחשות בגוף. רוב התגובות הללו הן תחת פעולת אנזימים - זרזים ביולוגיים. על המולקולות של חומרים אלו להתקרב למולקולות של התרכובות עליהן הן פועלות כמפתח למנעול, לכן, למבנה המרחבי, למיקום היחסי של האזורים המולקולריים ולגורמים מרחביים נוספים יש חשיבות רבה למהלך התגובות הללו. . תגובות כאלה נקראות סטריאו-סלקטיביות.

רוב התרכובות הטבעיות הן אננטיומרים בודדים, ופעולתם הביולוגית (מטעם וריח לפעולה רפואית) שונה באופן חד מתכונות האנטיפודים האופטיים שלהם המתקבלים במעבדה. הבדל כזה בפעילות ביולוגית הוא בעל חשיבות רבה, שכן הוא עומד בבסיס התכונה החשובה ביותר של כל האורגניזמים החיים - חילוף החומרים.

איזומריזם

המבנה האלקטרוני של אטום הפחמן

פחמן, שהוא חלק מתרכובות אורגניות, מפגין ערכיות קבועה. רמת האנרגיה האחרונה של אטום הפחמן מכילה 4 אלקטרונים, שניים מהם תופסים את אורביטל 2s, בעל צורה כדורית, ושני אלקטרונים תופסים את אורביטלי ה-2p, בעלי צורת משקולת. כאשר הוא נרגש, אלקטרון אחד מהאורביטל 2s יכול לעבור לאחד מהאורביטלים הפנויים של 2p. מעבר זה דורש כמה עלויות אנרגיה (403 קילו-ג'יי/מול). כתוצאה מכך, לאטום הפחמן הנרגש יש 4 אלקטרונים לא מזווגים והתצורה האלקטרונית שלו באה לידי ביטוי בנוסחה 2s 1 2p 3 .. לפיכך, במקרה של פחמימן מתאן (CH 4), אטום הפחמן יוצר 4 קשרים עם ה-s -אלקטרונים של אטומי מימן. במקרה זה, קשר 1 מסוג s-s (בין ה-s-אלקטרון של אטום הפחמן ל-s-אלקטרון של אטום המימן) ו-3 קשרי p-s (בין 3 p-s של אטום הפחמן ל-3 s-אלקטרונים של 3 אטומי מימן) היו צריכים להיווצר. זה מוביל למסקנה כי ארבעת הקשרים הקוולנטיים הנוצרים על ידי אטום הפחמן אינם שווים. עם זאת, הניסיון המעשי בכימיה מצביע על כך שכל 4 הקשרים במולקולת המתאן שקולות לחלוטין, ולמולקולת המתאן יש מבנה טטרהדרלי עם זוויות ערכיות של 109.5 0, מה שלא יכול להיות המקרה אם הקשרים לא היו שווים. אחרי הכל, רק האורביטלים של האלקטרון p מכוונים במרחב לאורך צירים מאונכים הדדיים x, y, z, ולאורביטל של s-אלקטרון יש צורה כדורית, כך שכיוון היווצרות הקשר עם האלקטרון הזה יהיה שרירותי. תורת ההכלאה הצליחה להסביר את הסתירה הזו. L. Polling הציע שבכל מולקולה אין קשרים מבודדים זה מזה. כאשר נוצרים קשרים, האורביטלים של כל אלקטרוני הערכיות חופפים. ידועים מספר סוגים הכלאה של אורביטלים של אלקטרונים. ההנחה היא שבמולקולה של מתאן ואלקנים אחרים 4 אלקטרונים נכנסים להכלאה.

הכלאה של אורביטלים של אטומי פחמן

הכלאה של אורביטלים- זהו שינוי בצורת ובאנרגיה של חלק מהאלקטרונים במהלך יצירת קשר קוולנטי, המוביל לחפיפה יעילה יותר של אורביטלים ולעלייה בחוזק הקשרים. הכלאה של אורביטלים מתרחשת תמיד כאשר אלקטרונים השייכים לסוגים שונים של אורביטלים משתתפים ביצירת קשרים.

1. sp 3 -הַכלָאָה(מצב הערכיות הראשון של פחמן). עם הכלאה sp 3, 3 p-אורביטלים ו-s-orbital אחד של אטום פחמן נרגש מתקשרים בצורה כזו שמתקבלים אורביטלים זהים לחלוטין באנרגיה וממוקמים באופן סימטרי בחלל. את השינוי הזה אפשר לכתוב כך:

במהלך הכלאה, המספר הכולל של האורביטלים אינו משתנה, אלא רק האנרגיה והצורה שלהם משתנות. הוכח שהכלאה sp 3 של האורביטלים דומה לדמות תלת-ממדית-שמונה, שאחד מהלהבים שלה גדול בהרבה מהשני. ארבעה אורביטלים היברידיים נמשכים מהמרכז לקודקודים של טטרהדרון רגיל בזוויות של 109.5 0. הקשרים הנוצרים על ידי אלקטרונים היברידיים (לדוגמה, הקשר s-sp 3) חזקים יותר מהקשרים שנוצרו על ידי אלקטרונים לא הכלואים (לדוגמה, הקשר s-p). מכיוון שהאורביטל sp 3 ההיברידי מספק שטח גדול יותר של חפיפת מסלול אלקטרונים מאשר מסלול ה-p הלא-הכלאי. למולקולות שבהן מתבצע הכלאה sp 3 יש מבנה טטרהדרלי. בנוסף למתאן, אלה כוללים הומולוגים של מתאן, מולקולות לא אורגניות כמו אמוניה. הדמויות מציגות מסלול הכלאה ומולקולת מתאן טטרהדרלית.

קשרים כימיים שנוצרים במתאן בין אטומי פחמן ומימן הם מסוג קשרי σ (sp 3 -s-bond). באופן כללי, כל קשר סיגמא מאופיין בכך שצפיפות האלקטרונים של שני אטומים מחוברים חופפת לאורך הקו המחבר בין מרכזי (גרעינים) של אטומים. σ-Bonds תואמים את מידת החפיפה המקסימלית האפשרית של אורביטלים אטומיים, ולכן הם חזקים מספיק.

2. sp 2 -הַכלָאָה(מצב הערכיות השני של פחמן). מתרחש כתוצאה מחפיפה של 2s אחד ושני אורביטלים 2p. האורביטלים ההיברידיים sp 2 המתקבלים ממוקמים באותו מישור בזווית של 120 0 זה לזה, ואורביטל ה-p הלא-הכלאי מאונך אליו. המספר הכולל של האורביטלים אינו משתנה - ישנם ארבעה מהם.

מצב ההכלאה sp 2 מתרחש במולקולות אלקן, בקבוצות קרבוניל וקרבוקסיל, כלומר. בתרכובות המכילות קשר כפול. אז במולקולת האתילן, האלקטרונים המוכלאים של אטום הפחמן יוצרים 3 קשרי σ (שני קשרים מסוג sp 2 -s בין אטום הפחמן לאטומי מימן וקשר אחד מסוג sp 2 -sp 2 בין אטומי פחמן). ה-p-אלקטרון הבלתי-הכלאי שנותר של אטום פחמן אחד יוצר קשר π עם ה-p-אלקטרון הלא-הכלאי של אטום הפחמן השני. מאפיין אופייני לקשר π הוא שהחפיפה של אורביטלי האלקטרונים חורגת מהקו המחבר בין שני האטומים. חפיפה מסלולית עוברת מעל ומתחת לקשר σ המחבר את שני אטומי הפחמן. לפיכך, קשר כפול הוא שילוב של קשרי σ ו-π. שתי האיורים הראשונים מראים שבמולקולת האתילן זוויות הקשר בין האטומים היוצרים את מולקולת האתילן הן 120 0 (המקבילות לכיוון של שלושה אורביטלים היברידיים sp 2 בחלל). האיורים מציגים את היווצרותו של קשר π.

מכיוון ששטח החפיפה של p-אורביטלים לא הכלואים בקשרי π קטן משטח החפיפה של אורביטלים בקשרי σ, הקשר π פחות חזק מהקשר σ ונשבר בקלות רבה יותר ב-σ. תגובה כימית.

3. הכלאה sp(מצב הערכיות השלישי של פחמן). במצב של הכלאה sp, לאטום הפחמן שני אורביטלים sp-hybrid הממוקמים באופן ליניארי בזווית של 180 0 זה לזה ושני p-orbitals לא הכלואים הממוקמים בשני מישורים מאונכים זה לזה. הכלאה sp אופיינית לאלקינים וניטרילים; לתרכובות המכילות קשר משולש.

אז במולקולת אצטילן, זוויות הקשר בין אטומים הן 180 o. האלקטרונים המוכלאים של אטום פחמן יוצרים 2 קשרי σ (קשר sp-s אחד בין אטום פחמן לאטום מימן וקשר אחר מסוג sp-sp בין אטומי פחמן. שני אלקטרונים p לא הכלואים של אטום פחמן אחד יוצרים שני π- קשרים עם אלקטרוני p לא הכלואים של השני החפיפה של אורביטלים p-אלקטרון לא רק מעל ומתחת לקשר σ, אלא גם מלפנים ומאחור, ולענן ה-p-אלקטרון הכולל צורה גלילית. לפיכך, קשר משולש הוא שילוב של קשר σ אחד ושני קשרי π. נוכחותם של שני קשרי π פחות חזקים במולקולת האצטילן מבטיחה את יכולתו של חומר זה להיכנס לתגובות תוספת עם שבירת הקשר המשולש.

חומר עזר למעבר המבחן:

שולחן מנדלייב

טבלת מסיסות

169375 0

לכל אטום יש מספר מסוים של אלקטרונים.

נכנסים לתגובות כימיות, אטומים תורמים, רוכשים או מחברים אלקטרונים, ומגיעים לתצורה האלקטרונית היציבה ביותר. התצורה עם האנרגיה הנמוכה ביותר היא היציבה ביותר (כמו באטומי גז אצילים). דפוס זה נקרא "כלל השמינייה" (איור 1).

אורז. 1.

כלל זה חל על כולם סוגי חיבורים. קשרים אלקטרוניים בין אטומים מאפשרים להם ליצור מבנים יציבים, מהגבישים הפשוטים ביותר ועד ביומולקולות מורכבות שבסופו של דבר יוצרות מערכות חיות. הם נבדלים מגבישים במטבוליזם הרציף שלהם. עם זאת, תגובות כימיות רבות מתרחשות בהתאם למנגנונים העברה אלקטרונית, אשר ממלאים תפקיד חשוב בתהליכי האנרגיה בגוף.

קשר כימי הוא כוח המחזיק שני אטומים או יותר, יונים, מולקולות או כל שילוב ביניהם..

טבעו של הקשר הכימי הוא אוניברסלי: זהו כוח משיכה אלקטרוסטטי בין אלקטרונים בעלי מטען שלילי וגרעינים בעלי מטען חיובי, הנקבע על ידי תצורת האלקטרונים במעטפת החיצונית של האטומים. היכולת של אטום ליצור קשרים כימיים נקראת ערכיות, או מצב חמצון. Valence קשורה למושג של אלקטרונים ערכיים- אלקטרונים היוצרים קשרים כימיים, כלומר אלו הממוקמים באורביטלים בעלי האנרגיה הגבוהה ביותר. בהתאם לכך, המעטפת החיצונית של אטום המכיל אורביטלים אלה נקראת מעטפת ערכיות. נכון להיום, לא מספיק לציין את נוכחותו של קשר כימי, אלא יש צורך להבהיר את סוגו: יוני, קוולנטי, דיפול-דיפול, מתכתי.

הסוג הראשון של חיבור הואיונית חיבור

על פי תורת הערכיות האלקטרונית של לואיס וקוסל, אטומים יכולים להשיג תצורה אלקטרונית יציבה בשתי דרכים: ראשית, על ידי אובדן אלקטרונים, הפיכתם קטיונים, שנית, לרכוש אותם, להפוך ל אניונים. כתוצאה מהעברת אלקטרונים, עקב כוח המשיכה האלקטרוסטטי בין יונים בעלי מטענים בסימן הפוך, נוצר קשר כימי הנקרא קוסל " אלקטרוולנטי(נקרא עכשיו יונית).

במקרה זה, אניונים וקטיונים יוצרים תצורה אלקטרונית יציבה עם מעטפת אלקטרונים חיצונית מלאה. קשרים יוניים טיפוסיים נוצרים מקטיונים של קבוצות T ו-II של המערכת המחזורית ומאניונים של יסודות לא מתכתיים מקבוצות VI ו-VII (16 ו-17 תת-קבוצות - בהתאמה, כולקוגניםו הלוגנים). הקשרים בתרכובות יוניות הם בלתי רוויים ולא כיווניים, ולכן הם שומרים על האפשרות של אינטראקציה אלקטרוסטטית עם יונים אחרים. על איור. 2 ו-3 מציגים דוגמאות לקשרים יוניים התואמים למודל העברת האלקטרונים של קוסל.

אורז. 2.

אורז. 3.קשר יוני במולקולת הנתרן כלוריד (NaCl).

כאן ראוי להיזכר בכמה מהתכונות המסבירות את התנהגותם של חומרים בטבע, בפרט, לשקול את המושג של חומצותו עילה.

תמיסות מימיות של כל החומרים הללו הם אלקטרוליטים. הם משנים את הצבע בדרכים שונות. אינדיקטורים. מנגנון הפעולה של האינדיקטורים התגלה על ידי F.V. אוסטוולד. הוא הראה שהאינדיקטורים הם חומצות חלשות או בסיסים, שצבעם במצב הבלתי מפורק והמנותק שונה.

בסיסים יכולים לנטרל חומצות. לא כל הבסיסים מסיסים במים (לדוגמה, כמה תרכובות אורגניות שאינן מכילות קבוצות -OH אינן מסיסות, בפרט, triethylamine N (C 2 H 5) 3); בסיסים מסיסים נקראים אלקליות.

תמיסות מימיות של חומצות נכנסות לתגובות אופייניות:

א) עם תחמוצות מתכת - עם היווצרות מלח ומים;

ב) עם מתכות - עם היווצרות מלח ומימן;

ג) עם קרבונטים - עם היווצרות מלח, שיתוף 2 ו ח 2 O.

התכונות של חומצות ובסיסים מתוארות על ידי מספר תיאוריות. בהתאם לתיאוריה של S.A. Arrhenius, חומצה היא חומר שמתנתק ליצירת יונים ח+ , בעוד הבסיס יוצר יונים הוא- . תיאוריה זו אינה לוקחת בחשבון את קיומם של בסיסים אורגניים שאין להם קבוצות הידרוקסיל.

ביחד עם פּרוֹטוֹןהתיאוריה של ברונסטד ולורי, חומצה היא חומר המכיל מולקולות או יונים התורמים פרוטונים ( תורמיםפרוטונים), והבסיס הוא חומר המורכב ממולקולות או יונים המקבלים פרוטונים ( מקבליםפרוטונים). שימו לב שבתמיסות מימיות קיימות יוני מימן בצורה hydrated, כלומר בצורה של יוני הידרוניום H3O+ . תיאוריה זו מתארת ​​תגובות לא רק עם מים ויוני הידרוקסיד, אלא גם מתבצעות בהיעדר ממס או עם ממס לא מימי.

למשל, בתגובה בין אמוניה NH 3 (בסיס חלש) ומימן כלורי בשלב הגז, נוצר אמוניום כלורי מוצק, ובתערובת שיווי משקל של שני חומרים יש תמיד 4 חלקיקים, שניים מהם חומצות, והשניים האחרים הם בסיסים:

תערובת שיווי משקל זו מורכבת משני זוגות מצומדים של חומצות ובסיסים:

1)NH 4+ ו NH 3

2) HClו Cl ‑

כאן, בכל זוג מצומד, החומצה והבסיס נבדלים בפרוטון אחד. לכל חומצה יש בסיס מצומד. לחומצה חזקה יש בסיס מצומד חלש, ולחומצה חלשה יש בסיס מצומד חזק.

תיאוריית ברונסטד-לורי מאפשרת להסביר את התפקיד הייחודי של המים בחיי הביוספרה. מים, בהתאם לחומר המקיים איתם אינטראקציה, יכולים להפגין תכונות של חומצה או בסיס. לדוגמה, בתגובות עם תמיסות מימיות של חומצה אצטית, מים הם בסיס, ובתמיסות מימיות של אמוניה, זה חומצה.

1) CH 3 COOH + H 2 O ↔ H 3 O + + CH 3 SOO- . כאן מולקולת חומצה אצטית תורמת פרוטון למולקולת המים;

2) NH3 + H 2 O ↔ NH4 + + הוא- . כאן מולקולת האמוניה מקבלת פרוטון ממולקולת המים.

לפיכך, מים יכולים ליצור שני זוגות מצומדים:

1) H 2 O(חומצה) ו הוא- (בסיס מצומד)

2) H 3 O+ (חומצה) ו H 2 O(בסיס מצומד).

במקרה הראשון, מים תורמים פרוטון, ובמקרה השני, הם מקבלים אותו.

נכס כזה נקרא אמפיפרוטוניות. נקראים חומרים שיכולים להגיב כחומצות וגם כבסיסים אמפוטרי. חומרים כאלה נמצאים לעתים קרובות בטבע. לדוגמה, חומצות אמינו יכולות ליצור מלחים עם חומצות ובסיסים כאחד. לכן, פפטידים יוצרים בקלות תרכובות תיאום עם יוני המתכת הקיימים.

לפיכך, התכונה האופיינית של קשר יוני היא תזוזה מלאה של חבורה של אלקטרונים קושרים לאחד הגרעינים. זה אומר שיש אזור בין היונים שבו צפיפות האלקטרונים היא כמעט אפס.

סוג החיבור השני הואקוולנטי חיבור

אטומים יכולים ליצור תצורות אלקטרוניות יציבות על ידי שיתוף אלקטרונים.

קשר כזה נוצר כאשר זוג אלקטרונים משותף אחד בכל פעם. מכל אחדאָטוֹם. במקרה זה, אלקטרוני הקשר החברתיים מחולקים באופן שווה בין האטומים. דוגמה לקשר קוולנטי היא הומוגרעינידיאטומי מולקולות H 2 , נ 2 , ו 2. לאלוטרופים יש אותו סוג של קשר. O 2 ואוזון O 3 ולמולקולה פוליאטומית ס 8 וגם מולקולות הטרון-גרעיניותמימן כלורי Hcl, פחמן דו חמצני שיתוף 2, מתאן CH 4, אתנול עם 2 ח 5 הוא, hexafluoride גופרית SF 6, אצטילן עם 2 ח 2. לכל המולקולות הללו יש את אותם אלקטרונים משותפים, והקשרים שלהן רוויים ומכוונים באותו אופן (איור 4).

לביולוגים, חשוב שהרדיוסים הקוולנטיים של אטומים בקשרים כפולים ומשולשים יצטמצמו בהשוואה לקשר בודד.

אורז. 4.קשר קוולנטי במולקולת Cl 2.

סוגי קשרים יוניים וקולנטיים הם שני מקרים מגבילים של סוגים רבים של קשרים כימיים, ובפועל רוב הקשרים הם ביניים.

תרכובות של שני יסודות הממוקמים בקצוות מנוגדים של תקופות זהות או שונות של מערכת מנדלייב יוצרים בעיקר קשרים יוניים. כאשר היסודות מתקרבים זה לזה תוך תקופה, האופי היוני של התרכובות שלהם פוחת, בעוד האופי הקוולנטי עולה. לדוגמה, ההלידים והתחמוצות של היסודות בצד שמאל של הטבלה המחזורית יוצרים בעיקר קשרים יוניים ( NaCl, AgBr, BaSO 4, CaCO 3, KNO 3, CaO, NaOH), ואותן תרכובות של היסודות בצד ימין של הטבלה הן קוולנטיות ( H 2 O, CO 2, NH 3, NO 2, CH 4, פנול C6H5OH, גלוקוז C 6 H 12 O 6, אתנול C 2 H 5 OH).

לקשר הקוולנטי, בתורו, יש שינוי נוסף.

ביונים פוליאטומיים ובמולקולות ביולוגיות מורכבות, שני האלקטרונים יכולים להגיע רק מהם אחדאָטוֹם. זה נקרא תוֹרֵםזוג אלקטרונים. אטום שמחבר את זוג האלקטרונים הזה עם תורם נקרא מקבלזוג אלקטרונים. סוג זה של קשר קוולנטי נקרא תיאום (תורם-מקבל, אוֹדייב) תִקשׁוֹרֶת(איור 5). סוג קשר זה חשוב ביותר לביולוגיה ולרפואה, שכן הכימיה של יסודות ה-D החשובים ביותר לחילוף החומרים מתוארת במידה רבה על ידי קשרי קואורדינציה.

תמונה 5.

ככלל, בתרכובת מורכבת, אטום מתכת פועל כמקבל זוג אלקטרונים; להיפך, בקשרים יוניים וקוולנטיים, אטום המתכת הוא תורם אלקטרונים.

ניתן לברר את מהות הקשר הקוולנטי והמגוון שלו - קשר הקואורדינציה בעזרת תיאוריה נוספת של חומצות ובסיסים, שהוצעה על ידי GN. לואיס. הוא הרחיב במידת מה את המושג הסמנטי של המונחים "חומצה" ו"בסיס" לפי תיאוריית ברונסטד-לורי. תיאוריית לואיס מסבירה את אופי היווצרותם של יונים מורכבים והשתתפותם של חומרים בתגובות החלפה נוקלאופיליות, כלומר ביצירת CS.

לפי לואיס, חומצה היא חומר המסוגל ליצור קשר קוולנטי על ידי קבלת זוג אלקטרונים מבסיס. בסיס לואיס הוא חומר בעל זוג אלקטרונים בודד, אשר על ידי תרומת אלקטרונים, יוצר קשר קוולנטי עם חומצת לואיס.

כלומר, תיאוריית לואיס מרחיבה את טווח התגובות חומצה-בסיס גם לתגובות שבהן פרוטונים אינם משתתפים כלל. יתרה מכך, הפרוטון עצמו, לפי תיאוריה זו, הוא גם חומצה, שכן הוא מסוגל לקבל זוג אלקטרונים.

לכן, לפי תיאוריה זו, קטיונים הם חומצות לואיס ואניונים הם בסיסי לואיס. התגובות הבאות הן דוגמאות:

צוין לעיל כי חלוקת החומרים ליונים ולקוולנטיים היא יחסית, שכן אין מעבר מוחלט של אלקטרון מאטומי מתכת לאטומים מקובלים במולקולות קוולנטיות. בתרכובות בעלות קשר יוני, כל יון נמצא בשדה החשמלי של יונים בסימן ההפוך, ולכן הם מקוטבים הדדית, והקליפות שלהם מעוותות.

יכולת קיטובנקבע על פי המבנה האלקטרוני, המטען והגודל של היון; זה גבוה יותר עבור אניונים מאשר עבור קטיונים. יכולת הקיטוב הגבוהה ביותר בקרב קטיונים היא עבור קטיונים בעלי מטען גדול יותר וגודל קטן יותר, למשל, עבור Hg 2+ , Cd 2+ , Pb 2+ , Al 3+ , Tl 3+. בעל אפקט מקטב חזק ח+ . מכיוון שהשפעת קיטוב היונים היא דו-צדדית, היא משנה משמעותית את תכונות התרכובות שהם יוצרים.

סוג החיבור השלישי -דיפול-דיפול חיבור

בנוסף לסוגי התקשורת המפורטים, ישנם גם דיפול-דיפול אינטרמולקולריתאינטראקציות, הידוע גם בשם ואן דר ואלס .

עוצמת האינטראקציות הללו תלויה באופי המולקולות.

ישנם שלושה סוגים של אינטראקציות: דיפול קבוע - דיפול קבוע ( דיפול-דיפולמְשִׁיכָה); דיפול קבוע - דיפול מושרה ( הַשׁרָאָהמְשִׁיכָה); דיפול מיידי - דיפול מושרה ( פְּזִירָהמשיכה, או כוחות לונדון; אורז. 6).

אורז. 6.

רק למולקולות עם קשרים קוולנטיים קוטביים יש מומנט דיפול-דיפול ( HCl, NH 3, SO 2, H 2 O, C 6 H 5 Cl), וחוזק הקשר הוא 1-2 דביי(1D \u003d 3.338 × 10 -30 מטר קולומב - C × מ').

בביוכימיה, סוג אחר של קשר מובחן - מֵימָן חיבור, שהוא מקרה מגביל דיפול-דיפולמְשִׁיכָה. קשר זה נוצר על ידי משיכה בין אטום מימן לאטום אלקטרוני שלילי קטן, לרוב חמצן, פלואור וחנקן. עם אטומים גדולים בעלי אלקטרושליליות דומה (לדוגמה, עם כלור וגופרית), קשר המימן חלש הרבה יותר. אטום המימן נבדל בתכונה חיונית אחת: כאשר האלקטרונים הקושרים נמשכים משם, הגרעין שלו - הפרוטון - נחשף ומפסיק להיות מסונן על ידי אלקטרונים.

לכן, האטום הופך לדיפול גדול.

קשר מימן, בניגוד לקשר ואן דר ואלס, נוצר לא רק במהלך אינטראקציות בין מולקולריות, אלא גם בתוך מולקולה אחת - תוך מולקולריקשר מימן. קשרי מימן ממלאים תפקיד חשוב בביוכימיה, למשל, לייצוב מבנה החלבונים בצורה של α-helix, או ליצירת סליל כפול DNA (איור 7).

איור 7.

קשרי מימן ואן דר ואלס חלשים הרבה יותר מקשרים יוניים, קוולנטיים וקורדינציה. האנרגיה של קשרים בין-מולקולריים מצוינת בטבלה. 1.

שולחן 1.אנרגיה של כוחות בין-מולקולריים

הערה: מידת האינטראקציות הבין-מולקולריות משקפות את האנטלפיה של ההיתוך והאידוי (רתיחה). תרכובות יוניות דורשות הרבה יותר אנרגיה להפרדת יונים מאשר להפרדת מולקולות. אנטלפיות ההיתוך של תרכובות יוניות גבוהות בהרבה מאלה של תרכובות מולקולריות.

הסוג הרביעי של חיבור -קשר מתכתי

לבסוף, יש סוג נוסף של קשרים בין מולקולריים - מַתֶכֶת: חיבור של יונים חיוביים של הסריג של מתכות עם אלקטרונים חופשיים. סוג זה של קשר אינו מתרחש באובייקטים ביולוגיים.

מתוך סקירה קצרה של סוגי הקשרים עולה פרט אחד: פרמטר חשוב של אטום או יון של מתכת - תורם אלקטרונים, כמו גם אטום - מקבל אלקטרונים הוא שלו גודל.

מבלי להיכנס לפרטים, נציין כי הרדיוסים הקוולנטיים של האטומים, הרדיוסים היוניים של מתכות ורדיוסי ואן דר ואלס של מולקולות המקיימות אינטראקציה גדלים ככל שמספר האטומי שלהן בקבוצות של המערכת המחזורית גדל. במקרה זה, הערכים של רדיוסי היונים הם הקטנים ביותר, ורדיוסי ואן דר ואלס הם הגדולים ביותר. ככלל, כאשר נעים למטה בקבוצה, הרדיוסים של כל האלמנטים גדלים, הן קוולנטיות והן ואן דר וואלס.

החשובים ביותר עבור ביולוגים ורופאים הם תֵאוּם(תורם-מקבל) קשרים שנחשבים על ידי כימיה של קואורדינציה.

ביו-אורגניות רפואיות. G.K. ברשקוב

במצב הקרקע, לאטום הפחמן C (1s 2 2s 2 2p 2) יש שני אלקטרונים לא מזווגים, שבגללם יכולים להיווצר רק שני זוגות אלקטרונים משותפים. עם זאת, ברוב התרכובות שלו, פחמן הוא ארבע ערכי. זה נובע מהעובדה שאטום הפחמן, הסופג כמות קטנה של אנרגיה, נכנס למצב נרגש בו יש לו 4 אלקטרונים לא מזווגים, כלומר. מסוגל להיווצר ארבעקשרים קוולנטיים ולוקחים חלק ביצירת ארבעה זוגות אלקטרונים משותפים:

6 C 1 s 2 2s 2 2 p 2 6 C * 1 s 2 2s 1 2 p 3

↓

1

↓

ע

↓

ע

ס

ס

אנרגיית העירור מפוצה על ידי יצירת קשרים כימיים, המתרחשת עם שחרור האנרגיה.

לאטומי פחמן יש את היכולת ליצור שלושה סוגים של הכלאה של אורביטלים של אלקטרונים ( sp 3, sp 2, sp) ויצירת קשרים מרובים (כפולים ומשולשים) ביניהם (טבלה 7).

טבלה 7

סוגי הכלאה וגיאומטריה של מולקולות

פשוט (יחיד) s - תקשורת מתבצעת כאשר sp 3הכלאה, שבה כל ארבעת האורביטלים ההיברידיים שווים ובעלי אוריינטציה מרחבית בזווית של 109 בערך 29' זה לזה ומכוונים לקודקודים של טטרהדרון רגיל.

אורז. 19. היווצרות מולקולת מתאן CH 4

אם אורביטלים היברידיים של פחמן חופפים לכדוריים ס-אורביטלים של אטום המימן, אז נוצרת התרכובת האורגנית הפשוטה ביותר מתאן CH 4 - פחמימן רווי (איור 19).

אורז. 20. סידור טטרהדרלי של קשרים במולקולת המתאן

עניין רב הוא חקר הקשרים של אטומי פחמן זה עם זה ועם אטומים של יסודות אחרים. שקול את מבנה המולקולות של אתאן, אתילן ואצטילן.

הזוויות בין כל הקשרים במולקולת האתאן שוות כמעט בדיוק זו לזו (איור 21) ואינן שונות מזוויות C-H במולקולת המתאן.

אורז. 21. מולקולת אתאן C 2 H 6

לכן, אטומי הפחמן נמצאים במצב sp 3-הַכלָאָה.

הכלאה של אורביטלים אלקטרונים של אטומי פחמן יכולה להיות חלקית, כלומר. זה יכול לכלול שניים sp 2הכלאה) או אחד ( sp-הכלאה) של שלושה ר- אורביטלים. במקרה זה, בין אטומי הפחמן נוצרים כפולות(כפול או משולש) קשרים. פחמימנים בעלי קשרים מרובים נקראים בלתי רוויים או בלתי רוויים. קשר כפול (C = C) נוצר כאשר sp 2- הכלאה. במקרה זה, לכל אחד מאטומי הפחמן יש אחד משלושה ר- אורביטלים אינם מעורבים בהכלאה, וכתוצאה מכך נוצרים שלושה sp 2- אורביטלים היברידיים הממוקמים באותו מישור בזווית של 120 בערך זה לזה, ולא כלאיים 2 ר-אורביטל מאונך למישור זה. שני אטומי פחמן מחוברים זה לזה, ויוצרים קשר s אחד עקב חפיפה של אורביטלים היברידיים וקשר p אחד עקב חפיפה ר-אורביטלים. האינטראקציה של אורביטלים היברידיים חופשיים של פחמן עם 1s-אורביטלים של אטומי מימן מובילה ליצירת מולקולת אתילן C 2 H 4 (איור 22), הנציג הפשוט ביותר של פחמימנים בלתי רוויים.

אורז. 22. היווצרות מולקולת אתילן C 2 H 4

החפיפה של אורביטלים אלקטרוניים במקרה של קשרי p קטנה והאזורים עם צפיפות אלקטרונים מוגברת נמצאים רחוק יותר מגרעיני האטומים, כך שקשר זה פחות חזק מהקשר ה-s.

קשר משולש נוצר מקשר s אחד ושני קשרי p. במקרה זה, אורביטלי האלקטרונים נמצאים במצב של הכלאה sp, שהיווצרותם מתרחשת עקב אחד ס- ואחד ר- אורביטלים (איור 23).

אורז. 23. יצירת מולקולת אצטילן C 2 H 2

שני אורביטלים היברידיים ממוקמים בזווית של 180 מעלות זה ביחס לזה, והשניים הנותרים לא היברידיים ר-אורביטלים ממוקמים בשני מישורים מאונכים זה לזה. יצירת קשר משולש מתרחשת במולקולת האצטילן C 2 H 2.

סוג מיוחד של קשר מתעורר במהלך היווצרות מולקולת בנזן (C 6 H 6) - הנציג הפשוט ביותר של פחמימנים ארומטיים.

בנזן מכיל שישה אטומי פחמן המקושרים יחד במחזור (טבעת בנזן), בעוד שכל אטום פחמן נמצא במצב של הכלאה sp 2 (איור 24).

כל אטומי הפחמן הכלולים במולקולת הבנזן ממוקמים באותו מישור. לכל אטום פחמן במצב הכלאה sp 2 יש עוד p-אורביטל שאינו היברידי אחד עם אלקטרון לא מזווג, היוצר קשר p (איור 25).

הציר של אורביטל p כזה מאונך למישור מולקולת הבנזן.

אורז. 24. sp 2 - אורביטלים של מולקולת הבנזן C 6 H 6

אורז. 25. - קשרים במולקולת הבנזן C 6 H 6

כל ששת ה-p-אורביטלים הלא-היברידיים יוצרים p-אורביטל מולקולרי מקשר משותף, וכל ששת האלקטרונים משולבים לששת p-אלקטרונים.

משטח הגבול של מסלול כזה ממוקם מעל ומתחת למישור של שלד הפחמן. כתוצאה מחפיפה מעגלית, נוצרת מערכת p יחידה דה-לוקאלית, המכסה את כל אטומי הפחמן של המחזור. בנזן מתואר בצורה סכמטית כמשושה עם טבעת בפנים, מה שמעיד על כך שיש דה-לוקליזציה של אלקטרונים והקשרים המתאימים.

הֶמְשֵׁך. להתחלה, ראה № 15, 16/2004

שיעור 5
אורביטלים אטומיים של פחמן

קשר כימי קוולנטי נוצר באמצעות זוגות אלקטרונים מתקשרים נפוצים מהסוג:

יוצרים קשר כימי, כלומר. רק אלקטרונים לא מזווגים יכולים ליצור זוג אלקטרונים משותף עם אלקטרון "זר" מאטום אחר. בעת כתיבת נוסחאות אלקטרוניות, אלקטרונים לא מזווגים ממוקמים בזה אחר זה בתא האורביטלי.
מסלול אטומיהיא פונקציה המתארת ​​את צפיפות ענן האלקטרונים בכל נקודה בחלל סביב גרעין האטום. ענן אלקטרונים הוא אזור בחלל שבו ניתן למצוא אלקטרון בסבירות גבוהה.
כדי להרמוני את המבנה האלקטרוני של אטום הפחמן ואת הערכיות של יסוד זה, נעשה שימוש במושגים של עירור של אטום הפחמן. במצב נורמלי (לא נרגש), לאטום הפחמן יש שניים בלתי מזווגים 2 ר 2 אלקטרונים. במצב נרגש (כאשר אנרגיה נספגת) אחד מ-2 ס 2-אלקטרונים יכולים לעבור לחופשי ר-אֲרוּבַּתִי. ואז מופיעים ארבעה אלקטרונים לא מזווגים באטום הפחמן:

זכור כי בנוסחה האלקטרונית של אטום (לדוגמה, עבור פחמן 6 C - 1 ס 2 2ס 2 2ע 2) מספרים גדולים לפני האותיות - 1, 2 - מציינים את מספר רמת האנרגיה. אותיות סו רמציינים את צורת ענן האלקטרונים (אורביטלים), והמספרים מימין מעל האותיות מציינים את מספר האלקטרונים באורביטל נתון. את כל ס- אורביטלים כדוריים:

ברמת האנרגיה השנייה מלבד 2 ס-יש שלושה אורביטלים 2 ר-אורביטלים. אלה 2 רלאורביטלים יש צורה אליפסואידית, בדומה למשקולות, והם מכוונים בחלל בזווית של 90 מעלות זה לזה. 2 ר-אורביטלים מציינים 2 p x, 2ר יו-2 pzלפי הצירים שלאורכם נמצאים האורביטלים הללו.

כאשר נוצרים קשרים כימיים, אורביטלי האלקטרונים מקבלים את אותה צורה. אז, בפחמימנים רוויים, אחד ס-אורביטל ושלושה ר-אורביטלים של אטום פחמן ליצירת ארבעה זהים (היברידיים) sp 3-אורביטלים:

זה - sp 3 - הכלאה.
הַכלָאָה- יישור (ערבוב) של אורביטלים אטומיים ( סו ר) עם היווצרות אורביטלים אטומיים חדשים, הנקראים אורביטלים היברידיים.

לאורביטלים היברידיים יש צורה אסימטרית, מוארכת לכיוון האטום המחובר. ענני אלקטרונים דוחים זה את זה וממוקמים בחלל הכי רחוק שאפשר זה מזה. במקביל, הצירים של ארבעה sp 3-אורביטלים היברידייםמסתבר שהוא מכוון לקודקודים של הטטרהדרון (פירמידה משולשת רגילה).
בהתאם לכך, הזוויות בין האורביטלים הללו הן טטרהדרליות, שוות ל-109°28".
החלק העליון של אורביטלים אלקטרונים יכול לחפוף עם אורביטלים של אטומים אחרים. אם ענני אלקטרונים חופפים לאורך קו המחבר את מרכזי האטומים, אזי קשר קוולנטי כזה נקרא sigma()-bond. לדוגמה, במולקולת אתאן C 2 H 6 נוצר קשר כימי בין שני אטומי פחמן על ידי חפיפה של שני אורביטלים היברידיים. זהו חיבור. בנוסף, כל אחד מאטומי הפחמן עם שלושתו sp 3-אורביטלים חופפים עם ס-אורביטלים של שלושה אטומי מימן, היוצרים שלושה קשרים.

בסך הכל, שלושה מצבי ערכיות עם סוגים שונים של הכלאה אפשריים עבור אטום פחמן. מלבד sp 3 הכלאה קיימת sp 2 - ו sp-הַכלָאָה.
sp 2 -הַכלָאָה- ערבוב אחד ס- ושתיים ר-אורביטלים. כתוצאה מכך, שלוש היברידיות sp 2 -אורביטלים. אלה sp 2 -אורביטלים ממוקמים באותו מישור (עם צירים איקס, בְּ-) ומכוונים לקודקודים של המשולש עם זווית בין האורביטלים של 120°. לא כלאיים
ר-אורביטל מאונך למישור שלושת ההיברידיות sp 2 אורביטלים (מכוונים לאורך הציר ז). בחצי העליון ר-אורביטלים נמצאים מעל המישור, החצי התחתון נמצא מתחת למישור.
סוּג sp 2-הכלאה של פחמן מתרחשת בתרכובות בעלות קשר כפול: C=C, C=O, C=N. יתרה מכך, רק אחד מהקשרים בין שני אטומים (לדוגמה, C=C) יכול להיות קשר. (שאר אורביטלי הקשר של האטום מכוונים לכיוונים מנוגדים.) הקשר השני נוצר כתוצאה מחפיפה של לא היברידי ר-אורביטלים משני צידי הקו המחבר בין גרעיני האטומים.

קשר קוולנטי שנוצר על ידי חפיפה לרוחב ר-אורביטלים של אטומי פחמן שכנים נקראים pi()-bond.

חינוך - תקשורת

בגלל פחות חפיפה של אורביטלים, הקשר -הפחות חזק מהקשר -.
sp-הַכלָאָההוא ערבוב (יישור בצורה ואנרגיה) של אחד s-ואחד
ר-אורביטלים עם היווצרות של שני כלאיים sp-אורביטלים. sp- אורביטלים ממוקמים על אותו קו (בזווית של 180 מעלות) ומכוונים לכיוונים מנוגדים מגרעין אטום הפחמן. שתיים
ר-אורביטלים נשארים לא הכלואים. הם ממוקמים בניצב אחד לשני.
כיוונים - חיבורים. על התמונה sp-אורביטלים מוצגים לאורך הציר y, והשניים הלא כלאיים
ר-אורביטלים - לאורך הצירים איקסו ז.

הקשר הפחמן-פחמן המשולש CC מורכב מקשר - המתרחש בעת חפיפה
sp-אורביטלים היברידיים, ושני קשרים.
הקשר בין פרמטרים כאלה של אטום הפחמן כמו מספר הקבוצות המחוברות, סוג ההכלאה וסוגי הקשרים הכימיים הנוצרים מוצג בטבלה 4.

טבלה 4

קשרים קוולנטיים של פחמן

מספר קבוצות קָשׁוּר עם פחמן	סוּג הַכלָאָה	סוגים משתתף קשרים כימים	דוגמאות לנוסחאות מורכבות
4	sp 3	ארבע - חיבורים
3	sp 2	שלוש - חיבורים ו האחד הוא חיבור
2	sp	שניים - חיבורים ושני חיבורים	H-CC-H

תרגילים.

1. אילו אלקטרונים של אטומים (למשל, פחמן או חנקן) נקראים לא מזווגים?

2. מה המשמעות של המושג "זוגות אלקטרונים משותפים" בתרכובות עם קשר קוולנטי (לדוגמה, CH 4 אוֹ H 2 S )?

3. מהם המצבים האלקטרוניים של אטומים (לדוגמה, C אוֹנ ) נקראים בסיסיים, ואילו מתרגשים?

4. מה המשמעות של המספרים והאותיות בנוסחה האלקטרונית של אטום (לדוגמה, C אוֹנ )?

5. מהו מסלול אטומי? כמה אורביטלים יש ברמת האנרגיה השנייה של אטום C ובמה הם שונים?

6. מה ההבדל בין אורביטלים היברידיים לבין האורביטלים המקוריים מהם נוצרו?

7. אילו סוגי הכלאה ידועים עבור אטום הפחמן ומה הם?

8. צייר תמונה של הסידור המרחבי של האורביטלים עבור אחד המצבים האלקטרוניים של אטום הפחמן.

9. איך קוראים לקשרים כימיים ומה? לפרט-ו-חיבורים בחיבורים:

10. עבור אטומי הפחמן של התרכובות שלהלן, ציין: א) סוג ההכלאה; ב) סוגי הקשרים הכימיים שלו; ג) זוויות קשר.

תשובות לתרגילים לנושא 1

שיעור 5

1. אלקטרונים שהם אחד לכל מסלול נקראים אלקטרונים לא מזווגים. לדוגמה, בנוסחת דיפרקציית האלקטרונים של אטום פחמן נרגש, ישנם ארבעה אלקטרונים לא מזווגים, ולאטום החנקן יש שלושה:

2. שני אלקטרונים המשתתפים ביצירת קשר כימי אחד נקראים זוג אלקטרונים משותף. בדרך כלל, לפני היווצרותו של קשר כימי, אחד האלקטרונים של צמד זה היה שייך לאטום אחד, והאלקטרון השני שייך לאטום אחר:

3. המצב האלקטרוני של האטום, שבו נצפה סדר המילוי של אורביטלים אלקטרוניים: 1 ס 2 , 2ס 2 , 2ע 2 , 3ס 2 , 3ע 2 , 4ס 2 , 3ד 2 , 4ע 2 וכו' נקראים המדינה הראשית. IN מצב נרגשאחד מאלקטרוני הערכיות של האטום תופס מסלול חופשי עם אנרגיה גבוהה יותר, מעבר כזה מלווה בהפרדה של אלקטרונים מזווגים. באופן סכמטי זה כתוב כך:

בעוד שבמצב הקרקע היו רק שני אלקטרונים ערכיים לא מזווגים, במצב הנרגש יש ארבעה אלקטרונים כאלה.

5. מסלול אטומי הוא פונקציה המתארת ​​את הצפיפות של ענן אלקטרונים בכל נקודה בחלל מסביב לגרעין של אטום נתון. ישנם ארבעה אורביטלים ברמת האנרגיה השנייה של אטום הפחמן - 2 ס, 2p x, 2ר י, 2pz. אורביטלים אלה הם:
א) צורת ענן האלקטרונים ( ס- כדור, ר- משקולת);
ב) ר-לאורביטלים יש כיוונים שונים במרחב - לאורך צירים מאונכים זה לזה איקס, yו ז, הם מסומנים p x, ר י, pz.

6. אורביטלים היברידיים שונים מהאורביטלים המקוריים (הלא היברידיים) בצורתם ובאנרגיה. לדוגמה, ס-אורביטלי - צורת כדור, ר- דמות שמונה סימטרית, sp-אורביטל היברידי - דמות שמונה אסימטרית.
הבדלי אנרגיה: ה(ס) < ה(sp) < ה(ר). לכן, sp-אורביטל - מסלול בממוצע בצורתו ובאנרגיה, המתקבל על ידי ערבוב ההתחלתי ס- ו ע-אורביטלים.

7. שלושה סוגים של הכלאה ידועים באטום הפחמן: sp 3 , sp 2 ו sp (ראה את הטקסט של שיעור 5).

9. -קשר - קשר קוולנטי שנוצר על ידי חפיפה חזיתית של אורביטלים לאורך קו המחבר בין מרכזי האטומים.
-קשר - קשר קוולנטי שנוצר בחפיפה לרוחב ר-אורביטלים משני צדי הקו המחבר בין מרכזי האטומים.
- הקשרים מוצגים על ידי הקווים השני והשלישי בין האטומים המחוברים.

קשרים בין אטומים, המתוארים בנוסחאות מבניות כמקפים או מקלות (מוטות), נוצרים על ידי אינטראקציה של אלקטרונים חיצוניים (ערכיות) של 2 אטומים של מולקולה אחת. על פי אופי האינטראקציה הזו, מבחינים בין שני סוגים בסיסיים או קיצוניים של קשרים בין אטומים.

סוג 1.קשר יוני, או אלקטרוולנטי, או מלח מיוצג בצורה הברורה ביותר (בצורתו הטהורה) במקרה של אינטראקציה של אטום מתכת חזק (לדוגמה, אלקליין) ואטום חזק שאינו מתכתי (לדוגמה, הלוגן). אטום מתכת אלקלי, המאבד אלקטרון חיצוני יחיד, הופך לחלקיק בעל מטען חיובי, ואטום הלוגן, שצובר אלקטרון חיצוני אחד, הופך למטען שלילי: Na + - CI - . חוזק הקשר הזה נובע מכוחות המשיכה של קולומב בין חלקיקים בעלי מטען שונה ומהאנרגיה המשתחררת במהלך היווצרות זוג אלקטרונים חדש באטום ההלוגן. דוגמאות לכך הן מלחים של חומצות אורגניות ואי-אורגניות.

סוג קיצוני שני.אופייני יותר לתרכובות אורגניות, קוולנטיות (או אטומיות) חיבורבהיר (בצורתו הטהורה) מוצג ב-2 מולקולות גז אטומיות: H 2, O 2, N 2, C1 2 וכו' שבהן נוצר הקשר בין אותם אטומים בדיוק. כתוצאה מהזיווג של שני אלקטרונים עם ספינים מנוגדים של שני אטומים, כאשר הם מתקרבים זה לזה, משתחררת כמות מסוימת של אנרגיה (≈ 400 קילו-ג'ל/מול) וזוג אלקטרונים חדש מקבל מסלול מולקולרי, התופס תא אחד ב שני האטומים. יתרה מכך, הצפיפות הגבוהה ביותר של ענן האלקטרונים של צמד זה ממוקמת בין האטומים (ישנה מעין חפיפה של המסלולים האטומיים של שני האלקטרונים, איור א) או היווצרות של מסלול מולקולרי - איור ב).

למרות שתמונה ב) קרובה יותר לאמת, שתי התמונות של קשר קוולנטי תקפות וחלות. בקשר קוולנטי גרידא, אין סטייה של מרכזי המטענים החיוביים והשליליים של המולקולה, הם חופפים - המולקולה אינה קוטבית.

בנוסף ל-2 סוגי הקשרים הקיצוניים הללו (יוני וקוולנטי), ישנם סוגי ביניים: 3) קוטבי, 4) חצי קוטבי, 5) קואורדינציה, המצויים בעיקר במה שנקרא תרכובות אוניום (אוקסוניום, אמוניום, סולפוניום) .

IN קשר קוטביזוג אלקטרונים שנמצא בו-זמנית בשדה המרכזים של שני האטומים (הגרעינים שלהם) מוטה לכיוון אטום יותר אלקטרוני, למשל, במולקולת HC1, זוג האלקטרונים נמצא יותר בתא הכלור מאשר מימן:

עקב סטייה זו של צפיפות האלקטרונים, התרחשה סטייה בין מרכזי המטענים החיוביים והשליליים של המולקולה. הוא הפך לקוטבי, בעל מומנט דיפול (כלומר מכפלת המטען וחצי מהמרחק בין המטענים), שאינו שווה לאפס.

חיבור חצי קוטבימיוצג בצורה הברורה ביותר בתרכובות חמצן של חנקן מחומש:

תמונה א), למרות שהיא מותרת, אינה מורשית, מכיוון שלאטום החנקן יש רק שתי רמות אלקטרוניות (שכבות), כאשר בשכבה החיצונית (השנייה) יש רק ארבעה תאים וחמישה זוגות אלקטרונים (חמישה קשרים) לא יהיו למצוא שם מקום. בהקשר זה, התמונה ב) נכונה יותר, המראה את התהודה של המבנים הקיצוניים (I ו III)ומעבר למבנה ממוצע נוח יותר מבחינה אנרגטית. לפיכך, בשל ההתפלגות הסימטרית של צפיפות האלקטרונים, המטען השלילי מתחלק בחצי בין שני אטומי חמצן שווים. אבל באטום החנקן, למעשה, אין מטען חיובי שלם, אלא יש מטען חיובי קרוב לכלל, בהתאמה, על אטומי החמצן (מבנה P) יש מטענים שליליים הקרובים לחצי מהמטען כולו.

קישור מתאםיציב ביותר בתרכובות אמוניום, שבהן אטום החנקן הופך לארבע-ערכי, נותן לפרוטון (ובתווך מימי לקטיון הידרוניום) אלקטרון אחד, רוכש מטען חיובי (או, במילים אחרות, מוסיף פרוטון לזוג הבודד של אלקטרונים חנקן): H 3 N: + H + → H 4 N +

אמוניה פרוטון אמוניום קטיון

בקטיון האמוניום, הקשר החדש שנוצר משנה את טבעם של שלושת קשרי ה-N-H האחרים שהיו בעבר בחנקן, שכעת הופכים מוארכים יותר, וכל ארבעת אטומי מימן האמוניום, הדוחים הדדית, הופכים במקומות המרוחקים ביותר זה מזה, כלומר בפינות הטטרהדרון הרגיל כאשר אטום החנקן נמצא במרכז הטטרהדרון הזה:

הקשר החדש שנוצר (קואורדינציה) אינו שונה מקשרי ה-N-H המותאמים שהיו בעבר במולקולת האמוניה. כאן מתרחש s 1 p 3 - הכלאה של ארבעת האלקטרונים שנותרו בחנקן (כמו בפחמן של מתאן).

אם מולקולת המתאן היא יצירה חזקה יחסית שאין לה מטען, אז קטיון האמוניום (ששונה ממנו במבנה רק בכך שגרעין האטום המרכזי מכיל עוד פרוטון אחד ונייטרון אחד) פחות יציב ויכול בקלות מתנתקים לקטיון אמוניה והידרוניום, תוך התגברות על מחסום אנרגיה מסוים שקובע את חוזקן של תרכובות אמוניום.

המושג σ-(סיגמא) ו π- (pi) חיבורים

הקשרים הקוולנטיים השוררים בתרכובות אורגניות קובעים בדרך כלל את הפעילות הכימית של חומרים אלו. עם זאת, קשרים מרובים שבירים (כפולים, משולשים) ותכונות של קשרים בקבוצות פונקציונליות הם בעלי חשיבות רבה.

פחמן הוא היסוד המרכזי של העולם האורגני, שלדי פחמן (שלדי מולקולות) קובעים את יציבותם ואת הגיוון הכמעט בלתי מוגבל שלהם. לכן, יש לשקול ביתר פירוט את האופי האלקטרוני של איגרות החוב שלה.

לאטום הפחמן יש גרעין עם מטען של +6, וקליפת אלקטרונים: 1s 2, 2s 2, 2p 2, כאשר ארבעה אלקטרונים חיצוניים הם ערכיות (2s 2, 2p 2). אבל כדי שהאלקטרונים האלה יווצרו ארבעה קשרים, האלקטרונים 2s 2 שנמצאים בנפח הכדור בצורה זוגית חייבים לעבור למצב לא מזווג. ולאטום הפחמן הנרגש חייבת להיות מעטפת: 1s 2, 2s 1, 2p 3, כאשר יחד עם האלקטרון הבלתי מזווג (צורת כדור), ישנם שלושה אלקטרון p (שמיניות נפח או צורות משקולת) הממוקמים לאורך הקואורדינטה צירים (x, y, z) מרחב תלת מימדי (איור 3). עם זאת, על מנת ליצור ארבעה קשרים שווי ערך, כמו במתאן, s-אלקטרון אחד ושלושה p-אלקטרונים חייבים לעבור למצב הכלאה שונה (s 1 p 3 -הכלאה), ולכל ארבעת האלקטרונים החיצוניים יש בדיוק את אותו כיווני. עננים (היברידיים) ואטומי המימן של מתאן נמצאים במיקומים שווים, המרוחקים ביותר זה מזה:

התואמים את הקודקודים של טטרהדרון רגיל אם שמים במרכזו אטום פחמן של מתאן (איור 4). מצב הפחמן, כאשר הכלאה של אלקטרוני ערכיות מתרחשת ביחס s 1 p 3, נקרא מצב הערכיות הראשון של פחמן,והקשרים של אטום כזה עם אטומים אחרים נקראים b(sigma)-קשרים(איור 5, 6).

לכן, קשר σהוא כל קשר בודד בין פחמן לאטום אחר. ולקשרי C-H ו-C-H σ הנפוצים ביותר במולקולות של חומרים אורגניים יש את הנתונים הבסיסיים הבאים (איור 6b, 6c).

אנרגיית קשר C-H ​​~93-96 קק"ל/מול (~370-380 קילו ג'ל/מול).

אורך קשר 1.1 A 0 (0.11 ננומטר)

אנרגיית קושרת C-C ~84-86 קק"ל/מול (~340-360 קילו-ג'ל/מול)

אורך קשר 1.54 A 0 (0.154 ננומטר)

מצב הערכיות השני של פחמןמאפיין אתילן ותרכובות אחרות בעלות קשר כפול. בפחמן של אתילן, הכלאה של אלקטרוני הערכיות של האטום הנרגש (2s 1, 2p 3) מתרחשת ביחס s 1 p 2, כאשר p-אלקטרון אחד (מתוך שלושה) אינו משתתף בהכלאה ונשאר ב. צורת ה-p. ועננים היברידיים בעלי צורה מכוונת (מוארכת) ממוקמים במישור בזווית של 120° זה לזה (איור 7).

וה-p-אלקטרונים של שני פחמנים מתחברים בצורת p בנוסף לקשר σ בין הפחמנים הללו (איור 7). הקשר הנוסף (המרוב) הזה שנוצר על ידי זיווג אלקטרונים בצורת p נקרא π (pi)- חיבור.האנרגיה המשתחררת במהלך היווצרותו קטנה מהאנרגיה של הקשר σ, מכיוון שהאנרגיה של הקשר הכפול C = C היא ~140 קק"ל/מול (~560-580 קילו ג'ל/מול). אם נפחית מזה את האנרגיה של הקשר C - C σ (~ 85 קק"ל / מול), אז π -הקשר נשאר ~55 קק"ל/מול (140-85=55).

מצב ערכיות שלישי של פחמןאופייני לאצטילן ותרכובות אחרות בעלות קשר משולש. בפחמן של אצטילן, מתוך ארבעה אלקטרוני ערכיות (2s 1, 2p 3) של האטום הנרגש, s- ו-p-אלקטרון אחד משתתפים כל אחד בהכלאה (s 1 p 1 - הכלאה). ושני עננים היברידיים (מוארכים) ממוקמים על אותו קו ישר, ויוצרים קשרי σ (איור 8). כלומר, הם תופסים את המיקומים המרוחקים ביותר (קואורדינטת z) כבר משני האלקטרונים הנותרים בצורת p, הממוקמים לאורך צירי הקואורדינטות (x, y) של המרחב התלת מימדי, מזווגים בצורת p עם היווצרות של שתיים π -קשרים במישורים מאונכים זה לזה(איור 8). האנרגיה המשתחררת במהלך יצירת קשר משולש היא ~200 קק"ל/מול. אם נחסר מכאן 85 קק"ל/מול - האנרגיה של הקשר σ, אז נשארו ~115 קק"ל/מ' לשני קשרי π, כלומר. ~57 קק"ל/מול עבור כל קשר π. להלן המאפיינים העיקריים של קשרים בודדים, כפולים ומשולשים לשם השוואה:

אורך קשר C - C 1.54 A 0, אנרגיית יצירת קשר ~ 85 קק"ל / מול

C \u003d אורך קשר C 1.34 A 0, אנרגיית יצירת קשר ~ 140 קק"ל / מול

C ≡ אורך קשר C 1.21 A 0, אנרגיית יצירת קשר ~ 200 קק"ל / מול האלקטרונים של קשרי π מגושמים יותר, פחות מחוברים לגרעיני האטומים, נגישים יותר להתקפה על ידי המגיב, נחשפים בקלות לחשמל ו שדות מגנטיים, למשל, אור בולט או התקפה על ידי חלקיקים טעונים. בגלל זה π -קשרים, בעלי אופי שונה לחלוטין בהשוואה לקשרי σ, פחות יציבים וגורמים לפעילות כימית גבוהה של תרכובות בלתי רוויות בהשוואה לתרכובות רוויות (רוויות).