Органическая химия/Структура атома

Структура атома

Атомы состоят из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Атом в своем, естественном, незаряженном состоянии имеет такое же количество электронов, как и протонов.

Ядро

Ядро состоит из протонов, которые заряжены положительно, и нейтронов, которые не имеют заряда. Нейтроны и протоны имеют примерно одинаковую массу и вместе составляют большую часть массы атома.

Электроны

Электроны — отрицательно заряженные частицы. Масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона или нейтрона — 0,00055 а.е.м. Электроны вращаются настолько быстро, что невозможно определить, где находятся электроны в любой момент времени. На изображении изображена старая модель атома Бора, в которой электроны занимают дискретные «орбитали» вокруг ядра, подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Эта модель устарела. Современные модели атомной структуры утверждают, что электроны занимают размытые облака вокруг ядра определенной формы, некоторые сферические, некоторые гантелевидные, а некоторые еще более сложные. В данном случае мы можем говорить лишь о вероятности нахождении электрона в этом размытом облаке.

Оболочки и орбитали

Электронные оболочки

Электроны вращаются вокруг атомов в облаках различных форм и размеров. Электронные облака наслаиваются друг на друга, фактически образовывая оболочки, причем электроны пытаются занять простейшие орбитали во внутренней оболочке, имеющие самое низкое энергетическое состояние, а электроны на самых сложных орбиталях во внешней оболочке, имеющие самое высокое энергетическое состояние. Чем выше энергетическое состояние, тем больше энергии у электрона, точно так же, как камень на вершине холма имеет больше потенциальной энергии, чем камень на дне долины. Основная причина, по которой электроны существуют на более высоких энергетических орбиталях, заключается в том, что на любой орбитали могут находиться только два электрона. Таким образом, электроны заполняют орбитали, всегда занимая самые низкие доступные энергетические орбитали. Электрон также может быть вытолкнут на более высокую энергетическую орбиталь, например, фотоном. Обычно это не стабильное состояние, и через некоторое время электрон спускается в более низкие энергетические состояния, спонтанно испуская фотон - данное состояние называется возбуждением атома. Эти концепции будут важны для понимания более поздних концепций, таких как оптическая активность хиральных соединений, а также многих интересных явлений за пределами области органической химии (например, как работают лазеры).

Электронные орбитали

Каждая отдельная оболочка подразделяется на одну или несколько орбиталей, которые также имеют разные уровни энергии, хотя разница в энергии между орбиталями меньше, чем разница в энергии между оболочками.

Более длинные волны имеют меньшую энергию; s-орбиталь имеет самую длинную длину волны, допустимую для электрона, вращающегося вокруг ядра, и эта орбиталь, как наблюдается, имеет самую низкую энергию.

Каждая орбиталь имеет характерную форму, которая показывает, где электроны чаще всего находятся. Орбитали названы с использованием букв алфавита. В порядке увеличения энергии орбитали следующие: s-, p-, d- и f-орбитали.

По мере продвижения вверх по оболочкам (представленным главным квантовым числом n) становится возможным больше типов орбиталей. Оболочки обозначены числами. Таким образом, 2s-орбиталь относится к s-орбитали во второй оболочке, где n = 2.

S-орбиталь

S-орбиталь является орбиталью с самой низкой энергией и имеет сферическую форму. Электроны на этой орбитали находятся на своей основной частоте. Эта орбиталь может содержать максимум два электрона.

P-орбиталь

Следующая орбиталь с самой низкой энергией — это p-орбиталь. Ее форму часто описывают как форму гантели. Существует три p-орбитали, каждая из которых ориентирована вдоль одной из трехмерных координат x, y или z. Каждая из этих трех «p»-орбиталей может удерживать максимум два электрона.

Эти три различные p-орбитали можно обозначить как px, py и pz.

S- и p-орбитали важны для понимания большей части органической химии, поскольку это орбитали, которые заняты атомах, наиболее распространенных в органических соединениях.

Орбитали D и F

Существуют также орбитали D и F. Орбитали D присутствуют в переходных металлах. Сера и фосфор имеют пустые орбитали D. Соединения, включающие атомы с орбиталями D, действительно вступают в игру, но редко являются частью органической молекулы. F присутствуют в элементах ряда лантаноидов и актиноидов. Лантаноиды и актиноиды в основном не имеют отношения к органической химии. Но как уже было сказано ранее, металлы могут играть роль в органической химии, особенно в области катализа.

Заполнение электронной оболочки

Когда атом или ион принимают электроны на свои орбитали и оболочки, они заполняются определенным образом.

Существует три принципа, которые управляют этим процессом:

принцип исключения Паули,
принцип Ауфбау (наращивания). Он также в русскоязычной и части западной литературы называется правилом Клечковского
правило Хунда.

Принцип исключения Паули

Никакие два электрона в атоме не могут иметь все четыре квантовых числа одинаковыми.

Что это означает в терминах наших представлений об орбиталях, так это то, что каждая орбиталь может содержать только два электрона, при этом, один из них имеет «спин вверх» и другой - «спин вниз». То есть, два электрона на одной орбитали имеют два противоположных по знаку спина.

Правило Хунда

Правило Хунда утверждает, что заполненные и полузаполненные оболочки, как правило, имеют дополнительную стабильность. В некоторых случаях, например, 4s-орбитали будут заполнены раньше 3d-орбиталей.

Это правило применимо только для тех элементов, которые имеют d-электроны, и поэтому менее важно в органической химии (хотя важно в металлоорганической химии).

Правило октета

Правило октета гласит, что атомы, как правило, предпочитают иметь восемь электронов в своей валентной оболочке, поэтому будут стремиться объединяться таким образом, чтобы каждый атом мог иметь восемь электронов в своей валентной оболочке, аналогично электронной конфигурации благородного газа. Проще говоря, молекулы более стабильны, когда внешние оболочки их составляющих атомов пусты или полны (имеют восемь электронов во внешней оболочке).

Главным исключением из правила является гелий, который имеет самую низкую энергию, когда у него есть два электрона в его валентной оболочке.

Другие заметные исключения — алюминий и бор, которые могут хорошо функционировать с шестью валентными электронами; и некоторые атомы за пределами третьей группы в периодической таблице, которые могут иметь более восьми электронов, такие как сера. Кроме того, некоторые благородные газы могут образовывать соединения при расширении своей валентной оболочки.

Гибридизация

Гибридизация относится к объединению орбиталей двух или более ковалентно связанных атомов. В зависимости от того, сколько свободных электронов имеет данный атом и сколько связей он образует, электроны на s- и p-орбиталях будут объединяться определенным образом, образуя связи.

Легко определить гибридизацию атома, учитывая структуру Льюиса. Сначала вы подсчитываете количество пар свободных электронов и количество сигма-связей (одинарных связей). Не учитывайте двойные связи, так как они не влияют на гибридизацию атома. После определения суммы этих двух связей схема гибридизации выглядит следующим образом:

Сигма связь + Электронные пары   Гибридизация
              2                       sp
              3                       sp²
              4                       sp³