|
Содержание
Из главы 1. Метан, этилен, ацетилен
Сколько самых разных зданий – больших и маленьких, прекрасных и неказистых – выстроено на земле. Что общего может быть у собора Василия Блаженного и вот этого старого, предназначенного на слом домишки, закрывающего вид из вашего окна? А общее вот что: они построены, в принципе, из однотипных деталей. Так же, как в архитектуре, в химии громадное разнообразие сложнейших органических соединений сводится всего к нескольким видам простых "кирпичиков", из которых "складываются" молекулы всех этих веществ. Простая связь Самое простое органическое соединение – метан. Его молекула состоит из пяти атомов – одного атома углерода и четырех атомов водорода, равномерно распределенных в пространстве вокруг этого центрального атома углерода. Здесь мы сталкиваемся прежде всего с важнейшим постулатом органической химии – во всех незаряженных органических молекулах углерод всегда четырехвалентен. Графически это выражается в том, что он должен быть соединен с химическими символами других элементов или того же углерода четырьмя черточками. В метане все четыре атома водорода находятся на одинаковом расстоянии от атома углерода и максимально удалены друг от друга в пространстве. Чтобы построить модель молекулы, возьмем тетраэдр, т.е. правильный четырехгранник, составленный из равносторонних треугольников, и поместим в его центр атом углерода. Атомы водорода расположатся по вершинам тетраэдра. Соединим все водороды с центральным атомом углерода. Угол и между двумя такими линиями составит 109 градусов и 28 минут. Итак, мы построили модель метана. Но каковы размеры молекул в действительности? В последние десятилетия при помощи физических методов исследования (о них речь впереди) удается точно определить межатомные расстояния в молекулах органических соединений. В молекуле метана расстояние между центрами атома углерода и любого водородного атома равно 0,109 нм (1 нанометр, нм, равен 10–9 м). Чтобы представить наглядно, как выглядит молекула в пространстве, пользуются моделями Стюарта–Бриглеба, в которых атомы изображаются шариками определенного радиуса. Теперь зададимся таким вопросом: какие силы связывают атомы в молекуле органического соединения, почему атомы водорода не отрываются от углеродного центра? Атом углерода состоит из положительно заряженного ядра (его заряд равен +6) и шести электронов, занимающих различные орбитали вокруг ядра, каждой из которых соответствует определенный уровень энергии. Два электрона занимают самую нижнюю, ближайшую к ядру орбиталь. Они всего сильнее взаимодействуют со "своим" ядром и участия в образовании химических связей не принимают. Иное дело – остальные четыре электрона. Считают, что в так называемом невозбужденном атоме углерода, т.е. в отдельном атоме, не образующем никаких связей с другими атомами, эти электроны располагаются следующим образом: два на нижнем подуровне s и два на более высоком подуровне р. Несколько упрощенно и схематично можно считать, что облако, которое образует электрон, находящийся на s-подуровне, имеет форму сферы. Облака р-электронов выглядят объемными восьмерками, причем эти восьмерки могут быть расположены в пространстве вдоль осей х,у и z. В соответствии с этим в каждом атоме имеются три р-орбитали: рx, рy и рz. Итак, каждая орбиталь в атоме имеет определенную форму и особым образом расположена в пространстве. Для того чтобы вступить во взаимодействие с другими атомами, образовать с ними химические связи, атом углерода должен прежде всего перейти в особое, возбужденное состояние. При этом один электрон перескакивает с s-орбитали на p-орбиталь. В результате один электрон занимает сферическую s-орбиталь, а три остальных электрона образуют три орбитали-восьмерки. Однако такое положение атому энергетически невыгодно. Более низкой энергии атома соответствуют четыре одинаковые орбитали, симметрично расположенные в пространстве. Поэтому происходит смешивание, усреднение, или, как говорят, гибридизация имеющихся орбиталей, и в результате получаются четыре новые одинаковые орбитали. Эти орбитали-гибриды также похожи на восьмерки, но восьмерки однобокие: электронная плотность почти полностью смещена в одну сторону. Такие гибридизованные орбитали обозначаются sp3 (по числу электронов с разных негибридных орбиталей, участвующих в их образовании: один с s-орбитали и три – с p-орбитали). Как же устроена молекула метана? K каждой из четырех гибридных орбиталей, направленных от атома углерода в разные стороны (а точнее, в углы воображаемого тетраэдра, который можно построить вокруг него), подходят атомы водорода Н.Атом водорода это ядро с зарядом +1 (для легкого изотопа обычного водорода – просто протон), и один электрон, занимающий сферическую орбиталь вокруг протона. Облака "углеродных" и "водородных" электронов перекрываются, а это и означает образование химической связи. Чем сильнее перекрываются облака электронов разных атомов, тем прочнее связь. Теперь становится понятным, почему гибридизованные орбитали выгоднее – ведь такая однобокая, выпяченная в одну сторону восьмерка может гораздо сильнее перекрываться с облаком водородного электрона, чем менее протяженные в пространстве негибридные орбитали. Отметим, что эти рассуждения носят несколько условный характер: чистый, так сказать, одиночный и невозбужденный атом углерода не существует реально. Поэтому нет смысла обсуждать, как же в действительности происходят все эти трансформации орбиталей, называемые гибридизацией. Однако для удобства описания химических связей посредством формул и чисел такие условности оказываются полезными. Мы в этом еще не раз убедимся. Как получить метан?.. Об авторе
Кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Института химической физики им. Н.Н.Семенова Российской академии наук. Окончил химический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова. В 1975 г. защитил кандидатскую диссертацию по металлоорганической химии под руководством академика А.Н.Несмеянова в московском Институте элементоорганических соединений Академии наук СССР. С 1978 г. работает в ИХФ им. Н.Н.Семенова РАН. Область научных интересов: катализ, химия углеводородов, химическое моделирование биологических процессов, металлоорганическая химия. Им была открыта реакция введения иона платины в ядро ароматического соединения, разработан новый метод определения продуктов окисления углеводородов пероксидом водорода и воздухом и предложены новые катализаторы для таких реакций. Г.Б.Шульпин проводил совместные исследования с коллегами из зарубежных научных институтов и фирм и читал лекции в университетах ряда стран (Бразилия, Великобритания, Германия, Индия, Испания, Италия, Португалия, США, Таиланд, Франция, Чехословакия, Швейцария, Япония). Им опубликовано более 250 научных работ, в том числе монографии (в частности, "Органические реакции, катализируемые комплексами металлов", 1988; "Activation and Catalytic Reactions of Saturated Hydrocarbons in the Presence of Metal Complexes", в соавт., 2000) и статьи в престижных международных и российских журналах. Кроме того, он известен как автор научно-популярных книг ("Эта увлекательная химия", "Мир необычных молекул: металлоорганические комплексы", "Химия для всех"; переведены на несколько иностранных языков) и многочисленных статей в журналах "Наука и жизнь", "Химия и жизнь", "Природа", "Химия в школе". Член редакционных советов международных научных журналов "Advances in Chemical Engineering and Science" и "Catalysts". |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||