9.24: Сигма і Пі облігації

Last updated
Save as PDF

Page ID: 19150

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Як ви думаєте, скільки людей вичавлено на цій вулиці?

Наш розум може обробляти два електрони, що взаємодіють один з одним у сфері простору. Але потім ми починаємо ставити подвійні облігації і потрійні облігації. Те, як ми малюємо ці зв'язки на папері, говорить про те, що ми стискаємо більше електронів у той самий простір, і це не працює. Електрони не люблять, щоб їх штовхали разом (тим більше, що всі вони мають негативні заряди, які відштовхують один одного). Тому нам потрібна більш складна картина, яка працює для всіх цих електронів.

Сигма і Пі облігації

Модель гібридизації допомагає пояснити молекули з подвійними або потрійними зв'язками (див. Малюнок нижче). Етен\(\left( \ce{C_2H_4} \right)\) містить подвійний ковалентний зв'язок між двома атомами вуглецю та поодинокі зв'язки між атомами вуглецю та атомами водню. Вся молекула плоска.

Рисунок\(\PageIndex{2}\): Геометрія молекули етена. (Кредит: Бен Міллс (Вікімедіа: Benjah-BMM27); Джерело: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ethylene - CRC -MW-dimensions-2D.png (відкривається в новому вікні); Ліцензія: Громадське надбання)

Як видно на малюнку нижче, геометрія електронного домену навколо кожного вуглецю незалежно є тригональною плоскою. Це відповідає\(sp^2\) гібридизації. Раніше ми бачили, як вуглець піддається\(sp^3\) гібридизації в\(\ce{CH_4}\) молекулі, тому просування електронів однакове для етена, але гібридизація відбувається лише між єдиною\(s\) орбітою та двома з трьох\(p\) орбіталів. Це породжує набір з трьох\(sp^2\) гібридів разом з негібридизованою\(2p_z\) орбіталлю. Кожен містить один електрон і таким чином здатний утворювати ковалентний зв'язок.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Гібридизація в етені. (Кредит: Joy Sheng; Джерело: CK-12 Foundation; Ліцензія: CC BY-NC 3.0 (відкривається в новому вікні))

Три\(sp^2\) гібридні орбіталі лежать в одній площині, тоді як негібридизована\(2p_z\) орбітальна орієнтована перпендикулярно цій площині. \(\ce{C_2H_4}\)Зв'язка пояснюється наступним чином: один з трьох\(sp^2\) гібридів утворює зв'язок шляхом перекриття з ідентичною гібридною орбіталлю на іншому атомі вуглецю. Решта дві гібридні орбіталі утворюють зв'язки шляхом перекриття з\(1s\) орбіталлю атома водню. Нарешті,\(2p_z\) орбіталі на кожному атомі вуглецю утворюють інший зв'язок, перекриваючи один з одним збоку.

Необхідно розрізняти два типи ковалентних зв'язків в\(\ce{C_2H_4}\) молекулі. Сигма-зв'язок (\(\sigma\)зв'язок) - це зв'язок, утворений перекриттям орбіталів наскрізним способом, при цьому електронна щільність зосереджена між ядрами атомів зв'язку. Пі зв'язок (\(\pi\)зв'язок) - це зв'язок, утворений перекриттям орбіталів пліч-о-пліч з електронною щільністю, зосередженою вище і нижче площини ядер атомів зв'язку. На малюнку нижче показані два типи склеювання в\(\ce{C_2H_4}\). \(sp^2\)Гібридні орбіталі фіолетові, а\(p_z\) орбітальні - блакитні. З кожного атома вуглецю утворюються три сигма-зв'язки в цілому шість сигма-зв'язків в молекулі. Пі зв'язок - це «друга» зв'язок подвійних зв'язків між атомами вуглецю і показана у вигляді подовженої зеленої частки, яка простягається як над, так і під площиною молекули. Ця площина містить шість атомів і всі сигма-зв'язки.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Сигма і пі зв'язки. (Кредит: Захарі Вілсон; Джерело: CK-12 Foundation; Ліцензія: CC BY-NC 3.0 (відкривається в новому вікні))

У звичайній електронно-точковій структурі Льюїса подвійний зв'язок показаний у вигляді подвійного тире між атомами, як в\(\ce{C=C}\). Важливо усвідомити, однак, що дві зв'язки різні: одна є сигма-зв'язком, а інша - зв'язком пі.

Етин\(\left( \ce{C_2H_2} \right)\) - лінійна молекула з потрійним зв'язком між двома атомами вуглецю (див. Малюнок нижче). Таким чином, гібридизація є\(sp\).

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Етинова структура. (Кредит: Joy Sheng; Джерело: CK-12 Foundation; Ліцензія: CC BY-NC 3.0 (відкривається в новому вікні))

Просування електрона в атомі вуглецю відбувається таким же чином. Однак гібридизація тепер включає лише\(2s\) орбітальну та\(2p_x\) орбітальну, залишаючи\(2p_y\) і\(2p_z\) орбіталі негібридизованими.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Гібридизація в етині. (Кредит: Joy Sheng; Джерело: CK-12 Foundation; Ліцензія: CC BY-NC 3.0 (відкривається в новому вікні))

\(sp\)Гібридні орбіталі утворюють сигма-зв'язок між собою, а також сигма-зв'язки з атомами водню. Обидва\(p_y\) і\(p_z\) орбіталі на кожному атомі вуглецю утворюють pi зв'язки між собою. Як і у випадку з етином, ці збоку в бік перекриття знаходяться вище і нижче площини молекули. Орієнтація двох pi зв'язків полягає в тому, що вони перпендикулярні один одному (див. Малюнок нижче). Один pi зв'язок знаходиться вище і нижче лінії молекули, як показано, в той час як інший знаходиться перед і позаду сторінки.

Малюнок\(\PageIndex{7}\):\(\ce{C_2H_2}\) Молекула містить потрійний зв'язок між двома атомами вуглецю, один з яких є сигма-зв'язком, а два з яких є pi зв'язками. (Кредит: Закарі Вілсон, використовуючи 3D-модель Бена Міллса (Користувач: Benjah-BMM27/Wikimedia Commons); Джерело: Фонд CK-12; 3D-модель: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Acetylene-CRC-IR-3D-vdW.png(opens в новому вікні); Ліцензія: CC BY-NC 3.0 (відкривається в новому вікні) (3D-модель доступна під суспільне надбання))

Взагалі поодинокі зв'язки між атомами завжди є сигма-зв'язками. Подвійні облігації складаються з однієї сигми та однієї пі зв'язку. Потрійні облігації складаються з однієї сигма-зв'язку та двох облігацій пі.

Резюме

Сигматичні зв'язки утворюються між двома атомами.
Пі зв'язки утворюються з p орбітального перекриття.

Рецензія

Що таке гібридизація навколо кожного вуглецю в етені?
Які два типи облігацій в C = C?
Яка форма молекули етена?
Як орієнтовані етинові пі зв'язки по відношенню один до одного?