Шульпин Г.Б. Эта увлекательная химия № 48. Изд. стереотип.

Soderzhanie

Iz glavi 1. Metan, etilen, atsetilen

Skol'ko samikh raznikh zdanij – bol'shikh i malen'kikh, prekrasnikh i nekazistikh – vistroeno na zemle. Chto obschego mozhet bit' u sobora Vasiliya Blazhennogo i vot etogo starogo, prednaznachennogo na slom domishki, zakrivayuschego vid iz vashego okna? A obschee vot chto: oni postroeni, v printsipe, iz odnotipnikh detalej. Tak zhe, kak v arkhitekture, v khimii gromadnoe raznoobrazie slozhnejshikh organicheskikh soedinenij svoditsya vsego k neskol'kim vidam prostikh "kirpichikov", iz kotorikh "skladivayutsya" molekuli vsekh etikh veschestv.

Prostaya svyaz'

Samoe prostoe organicheskoe soedinenie – metan. Ego molekula sostoit iz pyati atomov – odnogo atoma ugleroda i chetirekh atomov vodoroda, ravnomerno raspredelennikh v prostranstve vokrug etogo tsentral'nogo atoma ugleroda. Zdes' mi stalkivaemsya prezhde vsego s vazhnejshim postulatom organicheskoj khimii – vo vsekh nezaryazhennikh organicheskikh molekulakh uglerod vsegda chetirekhvalenten. Graficheski eto virazhaetsya v tom, chto on dolzhen bit' soedinen s khimicheskimi simvolami drugikh elementov ili togo zhe ugleroda chetir'mya chertochkami. V metane vse chetire atoma vodoroda nakhodyatsya na odinakovom rasstoyanii ot atoma ugleroda i maksimal'no udaleni drug ot druga v prostranstve.

Chtobi postroit' model' molekuli, voz'mem tetraedr, t.e. pravil'nij chetirekhgrannik, sostavlennij iz ravnostoronnikh treugol'nikov, i pomestim v ego tsentr atom ugleroda. Atomi vodoroda raspolozhatsya po vershinam tetraedra. Soedinim vse vodorodi s tsentral'nim atomom ugleroda. Ugol i mezhdu dvumya takimi liniyami sostavit 109 gradusov i 28 minut.

Itak, mi postroili model' metana. No kakovi razmeri molekul v dejstvitel'nosti? V poslednie desyatiletiya pri pomoschi fizicheskikh metodov issledovaniya (o nikh rech' vperedi) udaetsya tochno opredelit' mezhatomnie rasstoyaniya v molekulakh organicheskikh soedinenij. V molekule metana rasstoyanie mezhdu tsentrami atoma ugleroda i lyubogo vodorodnogo atoma ravno 0,109 nm (1 nanometr, nm, raven 10^–9 m). Chtobi predstavit' naglyadno, kak viglyadit molekula v prostranstve, pol'zuyutsya modelyami Styuarta–Brigleba, v kotorikh atomi izobrazhayutsya sharikami opredelennogo radiusa.

Teper' zadadimsya takim voprosom: kakie sili svyazivayut atomi v molekule organicheskogo soedineniya, pochemu atomi vodoroda ne otrivayutsya ot uglerodnogo tsentra?

Atom ugleroda sostoit iz polozhitel'no zaryazhennogo yadra (ego zaryad raven +6) i shesti elektronov, zanimayuschikh razlichnie orbitali vokrug yadra, kazhdoj iz kotorikh sootvetstvuet opredelennij uroven' energii.

Dva elektrona zanimayut samuyu nizhnyuyu, blizhajshuyu k yadru orbital'. Oni vsego sil'nee vzaimodejstvuyut so "svoim" yadrom i uchastiya v obrazovanii khimicheskikh svyazej ne prinimayut. Inoe delo – ostal'nie chetire elektrona. Schitayut, chto v tak nazivaemom nevozbuzhdennom atome ugleroda, t.e. v otdel'nom atome, ne obrazuyuschem nikakikh svyazej s drugimi atomami, eti elektroni raspolagayutsya sleduyuschim obrazom: dva na nizhnem podurovne s i dva na bolee visokom podurovne r. Neskol'ko uproschenno i skhematichno mozhno schitat', chto oblako, kotoroe obrazuet elektron, nakhodyaschijsya na s-podurovne, imeet formu sferi. Oblaka r-elektronov viglyadyat ob'emnimi vos'merkami, prichem eti vos'merki mogut bit' raspolozheni v prostranstve vdol' osej kh,u i z. V sootvetstvii s etim v kazhdom atome imeyutsya tri r-orbitali: r_x, r_y i r_z. Itak, kazhdaya orbital' v atome imeet opredelennuyu formu i osobim obrazom raspolozhena v prostranstve.

Dlya togo chtobi vstupit' vo vzaimodejstvie s drugimi atomami, obrazovat' s nimi khimicheskie svyazi, atom ugleroda dolzhen prezhde vsego perejti v osoboe, vozbuzhdennoe sostoyanie. Pri etom odin elektron pereskakivaet s s-orbitali na p-orbital'. V rezul'tate odin elektron zanimaet sfericheskuyu s-orbital', a tri ostal'nikh elektrona obrazuyut tri orbitali-vos'merki. Odnako takoe polozhenie atomu energeticheski nevigodno. Bolee nizkoj energii atoma sootvetstvuyut chetire odinakovie orbitali, simmetrichno raspolozhennie v prostranstve. Poetomu proiskhodit smeshivanie, usrednenie, ili, kak govoryat, gibridizatsiya imeyuschikhsya orbitalej, i v rezul'tate poluchayutsya chetire novie odinakovie orbitali.

Eti orbitali-gibridi takzhe pokhozhi na vos'merki, no vos'merki odnobokie: elektronnaya plotnost' pochti polnost'yu smeschena v odnu storonu. Takie gibridizovannie orbitali oboznachayutsya sp³ (po chislu elektronov s raznikh negibridnikh orbitalej, uchastvuyuschikh v ikh obrazovanii: odin s s-orbitali i tri – s p-orbitali).

Kak zhe ustroena molekula metana? K kazhdoj iz chetirekh gibridnikh orbitalej, napravlennikh ot atoma ugleroda v raznie storoni (a tochnee, v ugli voobrazhaemogo tetraedra, kotorij mozhno postroit' vokrug nego), podkhodyat atomi vodoroda N.Atom vodoroda eto yadro s zaryadom +1 (dlya legkogo izotopa obichnogo vodoroda – prosto proton), i odin elektron, zanimayuschij sfericheskuyu orbital' vokrug protona. Oblaka "uglerodnikh" i "vodorodnikh" elektronov perekrivayutsya, a eto i oznachaet obrazovanie khimicheskoj svyazi. Chem sil'nee perekrivayutsya oblaka elektronov raznikh atomov, tem prochnee svyaz'. Teper' stanovitsya ponyatnim, pochemu gibridizovannie orbitali vigodnee – ved' takaya odnobokaya, vipyachennaya v odnu storonu vos'merka mozhet gorazdo sil'nee perekrivat'sya s oblakom vodorodnogo elektrona, chem menee protyazhennie v prostranstve negibridnie orbitali. Otmetim, chto eti rassuzhdeniya nosyat neskol'ko uslovnij kharakter: chistij, tak skazat', odinochnij i nevozbuzhdennij atom ugleroda ne suschestvuet real'no. Poetomu net smisla obsuzhdat', kak zhe v dejstvitel'nosti proiskhodyat vse eti transformatsii orbitalej, nazivaemie gibridizatsiej. Odnako dlya udobstva opisaniya khimicheskikh svyazej posredstvom formul i chisel takie uslovnosti okazivayutsya poleznimi. Mi v etom esche ne raz ubedimsya.

Kak poluchit' metan?..

El autor

Shul'pin Georgij Borisovich

Doktor khimicheskikh nauk, veduschij nauchnij sotrudnik Instituta khimicheskoj fiziki imeni N. N. Semenova Rossijskoj akademii nauk. Okonchil khimicheskij fakul'tet MGU imeni M. V. Lomonosova. Zaschitil kandidatskuyu dissertatsiyu po metalloorganicheskoj khimii pod rukovodstvom akademika A. N. Nesmeyanova v moskovskom Institute elementoorganicheskikh soedinenij Akademii nauk SSSR. S 1978 g. rabotaet v IKhF imeni N. N. Semenova RAN. Oblasti nauchnikh interesov: kataliz, khimiya uglevodorodov, khimicheskoe modelirovanie biologicheskikh protsessov, metalloorganicheskaya khimiya. Im bila otkrita reaktsiya vvedeniya iona platini v yadro aromaticheskogo soedineniya, razrabotan novij metod opredeleniya produktov okisleniya uglevodorodov peroksidom vodoroda i vozdukhom i predlozheni novie katalizatori dlya takikh reaktsij.

G. B. Shul'pin provodil sovmestnie issledovaniya s kollegami iz zarubezhnikh nauchnikh institutov i firm i chital lektsii v universitetakh ryada stran (Braziliya, Velikobritaniya, Germaniya, Indiya, Ispaniya, Italiya, Portugaliya, SShA, Tailand, Frantsiya, Chekhoslovakiya, Shvejtsariya, Yaponiya). Im opublikovano bolee 250 nauchnikh rabot, v tom chisle monografii i stat'i v prestizhnikh mezhdunarodnikh i rossijskikh zhurnalakh. Krome togo, on izvesten kak avtor nauchno-populyarnikh knig i mnogochislennikh statej v zhurnalakh "Nauka i zhizn'", "Khimiya i zhizn'", "Priroda", "Nauka v mire", "Khimiya v shkole". Nagrazhden premiyami izdatel'stv "Znanie", "Nauka/Interperiodica (Pleiades Publishing, Inc.)" i "Elsevier" za luchshie publikatsii. Chlen Akademii nauk Lissabona (Portugaliya) i redaktsionnikh sovetov mezhdunarodnikh nauchnikh zhurnalov "Journal of Organometallic Chemistry", "Catalysis Communications", "Catalysts", "American Chemical Science Journal", "Advances in Chemical Engineering", "Current Organocatalysis" i dr.