Одинарная, двойная и тройная связи, а-и я-связь

В рассмотренных примерах образования химической связи принимала участие электронная пара. Такая связь называется одинарной. Иногда ее называют ординарной, т. е. обычной. Этот тип связи принято обозначать одной черточкой, соединяющей символы взаимодействующих атомов.

Перекрывание электронных облаков по прямой линии, соединяющей два ядра, приводит к сигма-связи (о-связь). Одинарная связь в большинстве случаев является а-связью.

Связь, образованная перекрыванием боковых областей р-электронных облаков, называется пи-связыо (я-связь). Двойная и тройная связи образуются при участии соответственно двух и трех электронных пар. Двойная связь представляет собой одну а-связь и одну я-связь, тройная связь — одну a-связь и две я-связи.

Обсудим образование связей в молекулах этана С₂Н₆, этилена С₂Н₄, ацетилена С₂Н₂ и бензола С₆Н_б.

Углы между связями в молекуле этана С._;Н₍. почти точно равны между собой (рис. 1.18, а) и не отличаются от углов между связями С—Н в молекуле метана. Поэтому можно предположить, что наружные электронные оболочки атомов углерода находятся в состоянии $р³-гибридизации. Молекула С₂Н₆ диамагнитна и не имеет электрического момента диполя. Энергия связи С—С равна -335 кДж/моль. Все связи в молекуле С₉Н₆ — а-связи.

В молекуле этилена С₂Н₄ углы между связями равны примерно по 120°. Из этого можно сделать вывод о $р²-гибридизации наружных электронных орбиталей атома углерода (рис. 1.18, б). Связи С—Н лежат в одной плоскости под углами около 120°. У каждого атома углерода имеется по одной негибридной р-орбитали, содер;

в.

Рис. 1.18. Модели молекул этана (а), этилена (б) и ацетилена (в) жащей по одному электрону. Эти орбитали расположены перпендикулярно плоскости рисунка.

Энергия связи между атомами углерода в молекуле этилена С₂Н₄ равна -592 кДж/моль. Если бы атомы углерода были связаны такой же связью, как в молекуле этана, то энергии связи в этих молекулах были бы близки.

Однако энергия связи между атомами углерода в этане составляет 335 кДж/моль, что почти в два раза меньше, чем в этилене. Столь существенная разница в энергиях связи между атомами углерода в молекулах этилена и этана объясняется возможным взаимодействием негибридных р-орбиталей, что на рис. 1.18, б изображено волнистыми линиями. Связь, образованная таким способом, и называется я-связью.

В молекуле этилена С₂Н₄ четыре связи С—Н, как и в молекуле метана СН₄, являются a-связями, а связь между атомами углерода представляет собой a-связь и л-связь, т. е. двойную связь, и формула этилена записывается как Н₂С=СН₂.

Молекула ацетилена С₂Н₂ линейная (рис. 1.18, в), что говорит в пользу sp-гибридизации. Энергия связи между атомами углерода равна -811 кДж/моль, что позволяет предположить существование одной a-связи и двух л-связей, т. е. это тройная связь. Формула ацетилена записывается как НС=СН.

Один из сложных вопросов химии состоит в установлении природы связей между атомами углерода в так называемых ароматических соединениях, в частности в молекуле бензола С₆Н₍. Молекула бензола плоская, углы между связями атомов углерода равны по.

Рис. 1.19. Модели молекулы бензола:

а — формульная модель: 6 —^{-орбитали} атомов углерода и a-связи между атомами углерода и атомами углерода и водорода; в — p-обитали и л-связи между атомами углерода.

120°, что позволяет предположить .^-гибридизацию внешних орбиталей атомов углерода. Обычно молекулу бензола изображают, как это показано на рис. 1.19, а.

Казалось бы, в бензоле связь между атомами углерода должна быть длиннее двойной связи С=С как более прочной. Однако изучение структуры молекулы бензола показывает, что все расстояния между атомами углерода в бензольном кольце одинаковы.

Эта особенность молекулы лучше всего объясняется тем, что негибридные р-орбитали всех атомов углерода перекрываются «боковыми» частями (рис. 1.19, б), поэтому все межъядерные расстояния между атомами углерода равны. На рис. 1.19, в показаны а-связи между атомами углерода, образованные перекрыванием sp²-гибридных орбиталей.

Энергия связи между атомами углерода в молекуле бензола С₆Н₆ равна -505 кДж/моль, и это позволяет предположить, что эти связи являются промежуточными между одинарной и двойной связями. Заметим, что электроны р-орбиталей в молекуле бензола двигаются по замкнутому шестиугольнику, и они делокализованы (не относятся к некоторому определенному месту).