В основном состоянии атом углерода С (1s22s22p2) имеет два неспаренных электрона, за счет которых могут образовать только две общие электронные пары. Однако в большинстве своих соединений углерод четырехвалентен. Это объясняется тем, что атом углерода, поглощая небольшое количество энергии, переходит в возбужденное состояние, в котором он имеет 4 неспаренных электрона, т.е. способен образовывать четыре ковалентные связи и принимать участие в формировании четырех общих электронных пар:
6С 1s22s22p2 
6С* 1s22s12p3.
| ↑↓ | ↑ | ↑ | ↑ | ↑ | ↑ | ↑ | ||||||
 1 |
↑↓ | p | ↑↓ | p | ||||||||
| s | s | |||||||||||
Энергия возбуждения компенсируется образованием химических связей, которое происходит с выделением энергии.
Атомы углерода обладают способностью к образованию трех видов гибридизации электронных орбиталей (sp3, sp2, sp) и образованию между собой кратных (двойных и тройных) связей (табл. 2.2).
|
|
|
Таблица 2.2
Типы гибридизации и геометрия молекул
| Связь | Тип гибри-дизации | Характер связи | Валентный угол | Геометрия молекул | Длина связи, нм | Энергия связи, кДж | Примеры |
| С – С | sp3 | s | 109°29’ | Тетраэдри-ческая | 0,154 | CH4 | |
| C = C | sp2 | s + p | 120° | Плоская | 0,134 | C2H4 | |
| C Ξ C | sp | s+2p | 180° | Линейная | 0,120 | C2H2 |
Простая (одинарная) s- связь осуществляется при sp3 -гибридизации, при которой все четыре гибридных орбитали равноценны и имеют направленность в пространстве под углом 109°29’ друг к другу и ориентированы к вершинам правильного тетраэдра (рис. 2.8).
Рис. 2.8. Образование молекулы метана СН4
Если гибридные орбитали углерода перекрываются с шарообразными s -орбиталями атома водорода, то образуется простейшее органическое соединение метан СН4 − предельный углеводород.
Большой интерес представляет изучение связей атомов углерода между собой и с атомами других элементов. Рассмотрим строение молекул этана, этилена и ацетилена.
Углы между всеми связями в молекуле этана почти точно равны между собой (рис. 2.9) и не отличаются от углов С − Н в молекуле метана.
Следовательно, атомы углерода находятся в состоянии sp3 -гибридизации.
Рис. 2.9. Молекула этана С2Н6
Гибридизация электронных орбиталей атомов углерода может быть и неполной, т.е. в ней могут участвовать две (sp2 -гибридизация) или одна (sp -гибридизация) из трех р -орбиталей. В этом случае между атомами углерода образуются кратныесвязи (двойная или тройная). Углеводороды с кратными связями называются непредельными или ненасыщенными. Двойная связь (С=С) образуется при sp2 -гибридизации.
|
|
|
В этом случае у каждого из атомов углерода одна из трех р -орбиталей не участвует в гибридизации, в результате образуются три sp2 -гибридные орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу, а негибридная 2 р -орбиталь располагается перпендикулярно этой плоскости. Два атома углерода соединяются между собой, образуя одну s-связь за счет перекрывания гибридных орбиталей и одну p-связь за счет перекрывания р -орбиталей.
Взаимодействие свободных гибридных орбиталей углерода с 1 s -орбиталями атомов водорода приводит к образованию молекулы этилена С2Н4 (рис. 2.10) – простейшего представителя непредельных углеводородов.
Рис. 2.10. Образование молекулы этилена С2Н4
Перекрывание электронных орбиталей в случае p-связи меньше и зоны с повышенной электронной плотностью лежат дальше от ядер атомов, поэтому эта связь менее прочная, чем s-связь.
Тройная связь образуется за счет одной s-связи и двух p-связей. Электронные орбитали при этом находятся в состоянии sp-гибридизации, образование которой происходит за счет одной s — и одной р -орбиталей (рис. 2.11).
Две гибридные орбитали располагаются под углом 180° относительно друг друга, а оставшиеся негибридные две р -орбитали располагаются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Образование тройной связи имеет место в молекуле ацетилена С2Н2 (см. рис. 2.11).
Рис. 2.11. Образование молекулы ацетилена С2Н2
Особый вид связи возникает при образовании молекулы бензола (С6Н6) – простейшего представителя ароматических углеводородов.
Бензол содержит шесть атомов углерода, связанных между собой в цикл (бензольное кольцо), при этом каждый атом углерода находится в состоянии sp2-гибридизации (рис. 2.12).
Рис. 2.12. sp2 – орбитали молекулы бензола С6Н6
Все атомы углерода, входящие в молекулу бензола расположены в одной плоскости. У каждого атома углерода в состоянии sp2-гибридизации имеется еще одна негибридная р-орбиталь с неспаренным электроном, которая образует p-связь (рис. 2.13).
Ось такой р -орбитали расположена перпендикулярно плоскости молекулы бензола.
Все шесть негибридных р -орбиталей образуют общую связывающую молекулярную p-орбиталь, а все шесть электронов объединяются в p-электронный секстет.
Граничная поверхность такой орбитали расположена над и под плоскостью углеродного s-скелета. В результате кругового перекрывания возникает единая делокализованная p-система, охватывающая все углеродные атомы цикла (рис. 2.13).
Бензол схематически изображают в виде шестиугольника с кольцом внутри, которое указывает на то, что имеет место делокализация электронов и соответствующих связей.
Рис. 2.13. 
-связи в молекуле бензола С6Н6
