Строение молекулы метана

УГЛЕВОДОРОДЫ

Углеводороды – самые простые органические соединения, состоящие из углерода и водорода. В зависимости от характера углеродных связей и соотношения между количеством атомов углерода и водорода они делятся на предельные (насыщенные) и непредельные (ненасыщенные) с одной или несколькими кратными связями. В зависимости от строения углеродной цепи углеводороды относятся к соединениям с открытой (незамкнутой) углеродной цепью и с замкнутой, т.е. к циклическим соединениям. Среди циклических углеводородов особую группу составляют ароматические углеводороды, отличающиеся рядом специфических свойств.

ПРЕДЕЛЬНЫЕ (НАСЫЩЕННЫЕ) УГЛЕВОДОРОДЫ

Алканы
Циклоалканы

НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

Алкены
Алкадиены
Алкины

АЛКАНЫ (ПАРАФИНЫ)

К предельным углеводородам – алканам (парафинам) относятся соединения с открытой цепью, в которых атомы углерода соединены друг с другом простыми (одинарными) связями, а остальные свободные их валентности насыщены атомами водорода. В обычных условиях алканы мало реакционноспособны, откуда возникло их название " парафины" – от лат. parrum affinis – малоактивный.
Члены гомологического ряда предельных углеводородов отвечают общей формуле C_nH_2n+2. Простейшим представителем насыщенных углеводородов является метан, структурная формула которого.

Строение молекулы метана

Приведенная структурная формула метана не отражает пространственного строения молекулы. Для рассмотрения этого строения необходимо вспомнить о формах электронных облаков и электронном строении атома углерода. Электронное строение атома углерода изображается следующим образом: 1s²2s²2p² или схематически

Как видно, на внешней оболочке имеются два неспаренных электрона, следовательно углерод должен быть двухвалентен. Однако в подавляющем большинстве случаев углерод в органических соединениях четырехвалентен. Это связано с тем, что при образовании ковалентной связи атом углерода переходит в возбужденное состояние, при котором электронная пара на 2s- орбитали разобщается и один электрон занимает вакантную p-орбиталь. Схематически:

––®

В результате имеется уже не два, а четыре неспаренных электрона. Поскольку эти четыре электрона различны (2s- и 2p- электроны), то должны бы быть различны и связи у атома углерода, однако однозначно показано, что связи в молекуле метана равнозначны. Оказывается при " смешении" четырех орбиталей возбужденного атома углерода (одной 2s- и трех 2p- орбиталей) образуются четыре равноценные sp³- гибридные орбитали. Они имеют форму гантели, одна из половин которой значительно больше другой. Вследствие взаимного отталкивания sp³- гибридные орбитали направлены в пространстве к вершинам тетраэдра и углы между ними равны 109°28' (наиболее выгодное расположение).

Рис.1 Модель sp³- гибридного состояния электронной оболочки атома углерода.

sp³- Гибридизация характерна для атомов углерода в насыщенных углеводородах (алканах) – в частности, в метане.

Рис.2 Схема электронного строения молекулы метана

Из рис.2 видно, что каждая sp³- гибридная орбиталь при перекрывании с s- орбиталью атомов водорода образует с ними четыре, так называемые, s- связи. s- Связь – это одинарная ковалентная связь, образованная при перекрывании орбиталей по прямой, соединяющей ядра атомов, с максимумом перекрывания на этой прямой. Атом углерода в молекуле метана расположен в центре тетраэдра, атомы водорода – в его вершинах, все валентные углы между направлениями связей равны между собой и составляют угол 109°28'. Следует отметить, что в молекуле этана (CH₃–CH₃) одна из семи s- связей (С–С) образуется в результате перекрывания двух sp³- гибридных орбиталей атомов углерода.

Рис. 3. Образование молекулы этана перерекрыванием двух гибридных электронных облаков атомов углерода.