Атомные орбитали. Типы атомных орбиталей

Электрон имеет двойственную природу: в разных экспериментах он может проявлять свойства частицы и волны. Свойства электрона как частицы: масса, заряд; волновые свойства ‑ в особенностях движения, интерференция и дифракция.

Движение электрона подчиняется законам квантовой механики.

Основные характеристики, определяющие движение электрона вокруг ядра: энергия и пространственные особенности соответствующей орбитали.

	Часть пространства, в котором высокая вероятность нахождения электрона, называетсяорбиталью (электронное облако). Атомные орбитали (АО) разных типов отличаются формой и энергией, обозначаются s, р, d, f. Атомные орбитали s-типа имеют форму сферы. р-АО имеют форму объёмной восьмёрки (гантели), направлены вдоль осей x, y, z.

При взаимодействии (перекрывании) атомных орбиталей (АО), принадлежащих двум или более атомам, образуются молекулярные орбитали (МО).

Молекулярные орбитали заполняются обобществленными электронами и осуществляют ковалентную связь.

Перед образованием молекулярных орбиталей может происходить гибридизация атомных орбиталей одного атома.

Гибридизация –изменение формы некоторых орбиталей при образовании ковалентной связи для более эффективного их перекрывания. Образуются одинаковые гибридные АО, которые участвуют в образовании МО, перекрываясь атомным орбиталями других атомов. Гибридизация возможна лишь для атомов, образующих химические связи, но не для свободных атомов.

При образовании ковалентной связи в молекулах органических соединений общая электронная пара заполняет связывающие МО с более низкой энергией. σ-связьвозникает при осевом перекрывании АО π–связьвозникает при боковом перекрывании негибридных р-АО(вне линии, соединяющей ядра атомов). π–связи возникают между атомами, уже соединенными σ-связью(при этом образуются двойные и тройные π –связи).

	σ-связь более прочная, чем π-связь (более эффективное осевое перекрывание АО и размещение σ-электронов между ядрами). По σ-связям возможно молекулярное вращение без разрыва связи. Вращение по двойным связям невозможно без их разрыва.
	π–электроны,находясь вне межъядерного пространства, обладают большей подвижностью по сравнению с σ-электронами.Поэтому поляризуемость π–связизначительно выше σ-связи.

Углеводороды

Основные вопросы:

1. Углеводороды. Классификация. Номенклатура.
2. Строение. Свойства.
3. Применение углеводородов.

Углеводороды – класс органических соединений, которые состоят из двух элементов: углерода и водорода.

Выбрать изомеры и гомологи:

Алканы (метановые, парафины, предельные, насыщенные) – все связи насыщенные (одинарные). Строение: sp3-гибридизация, тетраэдрическое размещение орбиталей. Форма молекул: тетраэдр. Реакции: замещения (галогенирования, нитрования, сульфирования), горения (каталитического окисления), разложения (крекинг, пиролиз, дегидрование).

Назвать алканы:

____________________________________________

__________________________________________

Ä реакция нитрования (реакция Коновалова, 1889) – реакция замещения водорода на нитрогруппу.

Условия: 13% НNO₃, t = 130 – 140⁰C, Р= 15 – 10⁵ Па. В промышленном масштабе нитрование алканов проводят в газовой фазе при 150 – 170⁰С оксидом азота (ІV) или парами азотной кислоты.

СН₄ + НО – NO₂ → CН₃ – NO₂ + Н₂О

нитрометан

@ Решить задания:

1. Состав алканов отражает общая формула:

а) С_nH_2n+2; б) С_nH_2n-2; в) С_nH_2n; г) С_nH_2n-6.

2. С какими реагентами могут взаимодействовать алканы:

а) Br₂ (раствор); б) Br₂, t⁰; в) Н₂SO₄; г) НNO₃ (разбав.), t⁰; д) КМnО₄; е) КОН?

Ответы: 1) реагенты а, б, г, д; 2) реагенты б, в, е;

3) реагенты б, г; 4) реагенты б, г, д, е.

1. Установить соответствие между типом реакции и схемой (уравнением) реакции:

Тип реакции					Схема (уравнение) реакции
А. Полное окисление					1. СН4 + НОNO2 → CH3NO2 + H2O
Б. Замещение					2.СН3–(СН2)2 – СН3→СН3–СН(СН3) – СН3
В. Крекинг					3.2СН4→С2Н2 + 3Н2
Г. Изомеризация					4.С4Н10 + [О] → 2CH3COOH
Д. Частичное окисление					5.2С2Н6 + 7О2 → 4СО2 + 6Н2О

1. Укажите вещество, которое образуется при полном хлорировании метана:

а) трихлорметан; б) тетрахлорметан; в) дихлорметан; г) тетрахлорэтан.

1. Укажите наиболее вероятный продукт монобромирования 2,2,3-триметилбутана:

а) 2-бром-2,3,3-триметилбутан; б) 1-бром-2,2,3-триметилбутан;

в) 1-бром-2,3,3-триметилбутан; г) 2-бром-2,2,3-триметилбутан.

Составьте уравнение реакции.

Реакция Вюрца –действие металлического натрия на галогенопроизводные углеводородов. При взаимодействии двух разных галогенопроизводных образуется смесь углеводородов, которая может быть разделена перегонкой.

СН3І + 2 Na + СН3І → С2Н6 + 2 NaІ

@ Решить задания:

1. Укажите название углеводорода, который образуется при нагревании бромэтана с металлическим натрием:

а) пропан; б) бутан; в) пентан; г) гексан; д) гептан.

Составить уравнение реакции.

1. Какие углеводороды образуются при действии металлического натрия на смесь:

а) иодметана и 1-бром-2-метилпропана; б) 2-бромпропана и 2-бромбутана?

Циклоалканы

Циклоалканы (циклопарафины) – все связи насыщенные (одинарные) соединены в цикл. Карбоциклические соединения. Строение: sp3-гибридизация, тетраэдрическое размещение орбиталей. Реакции: замещения (галогенирования, нитрования), присоединения (гидрование, галогенирование).

1. Для малых циклов (С₃ – С₄) характерны реакции присоединения водорода, галогенов и галогеноводородов. Реакции сопровождаются размыканием цикла.

2. Для других циклов (С₅ и выше) характерны реакции замещения.

þ хлорирование циклогексана происходит по цепному механизму (аналогично реакциям замещения в алканах):

Непредельные углеводороды (ненасыщенные):

Алкены (олефины, ненасыщенные углеводороды с двойной связью, этиленовые углеводороды): Строение: sp2-гибридизация, плоскостное размещение орбиталей (плоский квадрат). Реакции: присоединения (гидрование, галогенирование, гидрогалогенирование, полимеризация), замещения(не характерны),окисления (горение, КМnO4), разложения (без доступа кислорода).

@ Решить задания:

1. Какова гибридизация атомов углерода в молекуле алкена:

а) 1 и 4 – sp², 2 и 3 – sp³; б) 1 и 4 – sp³, 2 и 3 – sp² ;

в) 1 и 4 – sp³, 2 и 3 – sp; г) 1 и 4 – не гибридизованы, 2 и 3 – sp².

2. Назвать алкен:

а) 3-метил-4-этилпентен-2; б) 3-метил-2-этилпентен-3; в) 3,4-диметилгексен-2; г) 2-этил-3-метилпентен-2.

1. Составить уравнения реакций на примере бутена-1, назвать полученные продукты.

4. В приведенной ниже схеме превращений этилен образуется в реакции:

а) 1 и 2; б) 1 и 3; в) 2 и 3;

г) этилен не образуется ни в одной реакции.

1. Какая реакция идет против правила Марковникова:

а)СН₃ – СН = СН₂ + НВr →; б) СН₃ – СН = СН₂ + Н₂O →;;

в) СН₃ – СН = СН – CH₂ + НCI →; г) СCI₃ – СН = СН₂ + НCI →?

Алкадиены (диены, углеводороды с двумя двойными связями): Строение: sp2-гибридизация, плоскостное размещение орбиталей, делокализованные связи. Реакции: присоединения (гидрование, галогенирование, гидрогалогенирование, полимеризация), окисления (горение, КМnO4).

3-метилгексадиен-1,4 1,3-бутадиен

þ Диены с сопряженными связями:гидрование 1,3-бутадиена – образуется 2-бутен (1,4-присоединение):

þ гидрирование 1,3-бутадиена в присутствии катализатора Nі ‑ бутан:

þ галогенирование 1,3-бутадиена – 1,4-присоединение (1,4 – дибром-2-бутен):

þ полимеризация диенов:

Для практического применения каучуки превращают в резину. Резина – это вулканизованный каучук с наполнителем (сажа). Суть процесса вулканизации: нагревание смеси каучука и серы приводит к образованию трёхмерной сетчатой структуры из линейных макромолекул каучука, придавая ему повышенную прочность. Атомы серы присоединяются по двойным связям макромолекул и образуют между ними дисульфидные мостики. Сетчатый полимер является более прочным и эластичным.

Полиены (ненасыщенные углеводороды со многими двойными связями) – это углеводороды, в составе молекул которых содержится не меньше трёх двойных связей.

Например, ликопин (придает окраску спелым помидорам, шиповнику). Полиенами является пигмент каротин (провитамин А), витамины А, Е. Главным структурным звеном их является изопрен.

Получение диенов:

Ø действие спиртового раствора щелочи:

Ø способ Лебедева (синтез дивинила):

Ø дегидратация гликолей (алкандиолов):

Алкины (ацетиленовые углеводороды, углеводороды с одной тройной связью): Строение: sp-гибридизация, линейное размещение орбиталей. Реакции: присоединения (гидрование, галогенирование, гидрогалогенирование, полимеризация), замещения(образование солей),окисления (горение, КМnO4), разложения (без доступа кислорода).	5-метилгексин-2 1-пентин 3-метилбутин-1
	1. Какие углеводороды соответствуют общей формуле СnH2n-2: а) ацетиленовые, диеновые; б) этиленовые, диеновые; в) циклоалканы, алкены; г) ацетиленовые, ароматические? 2. Тройная связь является сочетанием: а) трехσ-связей; б) одной σ-связи и двух π-связей; в) двух σ-связей и одной π-связи; г) трехπ-связей. 3. Составить формулу 3-метилпентина -3.
І. Реакции присоединения
v Гидрирование происходит через стадию образования алкенов:
v Присоединение галогенов происходит хуже, чем в алкенах: Алкины обесцвечивают бромную воду (качественная реакция).
v Присоединение галогенводородов:
Продукты присоединения к нессиметричным алкинам определяются правилом Марковникова:
v Присоединение воды (гидратация) – реакция М.Г.Кучерова, 1881.
Для гомологов ацетилена продуктом присоединения воды является кетон:
ІІІ. Образование солей (кислотные свойства) –реакции замещения
ð Взаимодействие с активными металлами: Ацетилениды используют для синтеза гомологов.
ð Взаимодействие алкинов с аммиачными растворами оксида серебра или хлорида меди(І):
Качественная реакция на конечную тройную связь ‑ образование серовато-белого осадка ацетиленида серебра или красно-коричневого – ацетиленида меди (І):	НС ≡ СН + СuCI → СuC ≡ ССu ↓ + 2HCI Реакция не происходит
ІV. Реакции окисления
Ÿ Мягкое окисление – обесцвечивание водного раствора перманганата калия (качественная реакция на кратную связь):	При взаимодействии ацетилена с разбавленным раствором КМnО4 (комнатная температура) ‑ щавелевая кислота.

Получение алкинов:

Ø Действие спиртового раствора щелочи на дигалогенопроизводные алканов:

@ Выполните задания: