Строение метана

Электронная конфигурация основного состояния атома углерода l s ²2 s ² 2 p ²:

Можно было бы ожидать, что такой атом углерода будет образовывать с двумя атомами водорода соединение СН₂. Но в метане углерод связан с четырьмя атомами водорода. Для того чтобы представить образование молекулы СН₄, необходимо обратиться к его возбужденному электронному состоянию.

Теперь можно ожидать, что атом углерода образует четыре связи с атомами водорода, но эти связи неравноценны: три связи образованы с использованием р -орбиталей, одна - с использованием s -орбитали. Это противоречит известному факту: все связи в метане эквивалентны.

Далее проводят гибридизацию орбиталей. Математически рассчитаны различные комбинации одной s - и трех р -орбиталей. Гибридные орбитали с наибольшей степенью направленности ("лучшие" орбитали) в результате большего перекрывания дают связи (1) прочнее, чем негибридизованные s - или р -орбитали. Четыре "лучшие" гибридные орбитали (2) эквивалентны. Они направлены к вершинам правильного тетраэдра, угол между двумя орбиталями 109,5^о. Такая геометрия обеспечивает (3) минимальное отталкивание между ними.

2sp^3- орбиталь, большая доля образует s -связи

Завершим картину построения молекулы метана: каждая из четырех sp³ -орбиталей атома углерода перекрывается с 1 s -орбиталью атома водорода. Образуются четыре s -связи.

sp^3 ‑гибридное состояние атома углерода		молекула метана имеет четыре s -связи		изображение метана с помощью клиновидной проекции

Для максимального перекрывания sp³ -орбиталей углерода и 1 s- орбиталей водорода четыре водородных атома должны лежать на осях sр³ -орбиталей. Следовательно, угол между двумя любыми связями С–Н равен 109,5^о.

Экспериментальные данные подтверждают расчет: метан имеет тетраэдрическую структуру. Все связи углерод-водород имеют одинаковую длину 10,9·10^-2 нм, угол между двумя любыми связями тетраэдрический и равен 109,5^о. Для разрыва одной из связей в метане требуется 427·10³ Дж/моль.

Дата добавления: 2015-07-26