Эта увлекательная химия - страница 5

У предельных углеводородов есть другое название — парафины, отражающее их химическую инертность (по латыни parum affinis — малое сродство). И все же они довольно широко применяются в химической промышленности для получения самых разнообразных веществ. Основные направления промышленного использования метана показаны на схеме.

Прежде чем закончить разговор о метане и предельных углеводородах, ответим на один вопрос: как осуществляется связь в парафинах между двумя атомами углерода, например, в этане? Здесь все просто — вокруг каждого углеродного атома имеются, как и в метане, четыре гибридизованные sр^>3-орбитали, три из них осуществляют связи с атомами водорода, а одна перекрывается точно с такой же орбиталью другого углеродного атома. Длина связи С-С составляет 0,154 нм.

Этилен для органической химии — это уже, пожалуй, не кирпичик, а целый блок. Молекула этилена состоит из двух атомов углерода и четырех атомов водорода, Как же построен этилен? Ведь во всех органических соединениях углерод должен быть четырехвалентным, а в молекуле этилена каждый углеродный атом связан с другим углеродом и двумя водородами, т. е. как бы трехвалентен.

Нет, никакого нарушения принципа четырехвалентности углерода в молекуле этилена не наблюдается: два атома углерода связаны между собой не простой, как в этане, а двойной связью. Каждая валентность обозначается чертой, и если соединить два атома углерода двумя черточками, то мы сохраним углерод четырехвалентным:

Но что скрывается за такими обозначениями, чем отличается связь, изображаемая одной чертой, от связи, изображаемой двумя чертами?

Вспомним, как образуется молекула этана. Вокруг каждого углеродного атома в результате гибридизации, т. е. смешения, усреднения одной s- и трех р-орбиталей образуются четыре направленные в разные стороны совершенно одинаковые гибридизованные sр^>3-орбитали.

В случае этилена связи между атомами углерода строятся по-другому. Здесь смешиваются только две р-орбитали с одной орбиталью s. В результате образуются три гибридизованные sp^>2-орбитали, которые лежат в одной плоскости: две из них перекрываются с s-орбиталями двух атомов водорода и привязывают эти водороды к углероду, а третья орбиталь sp^>2 перекрывается с точно такой же орбиталью второго углеродного атома. На долю этой связи приходится одна из черточек между двумя атомами углерода. А что символизирует вторая черточка?

Вспомним: у нас остался еще один р-электрон. Он образует облако в виде объемной восьмерки, которая направлена перпендикулярно плоскости трех sp^>2-орбиталей. Эти-то электронные облака (по одной восьмерке от каждого углерода) тоже могут перекрываться между собой, только не "лоб в лоб", как перекрываются две sр^>2-орбитали, а "боками". Такое перекрывание и обозначает вторая черточка. Связь первого типа ("лбами") обозначается греческой буквой о (сигма), а связь, при которой электронные облака

Схема образования двойной связи между двумя атомами углерода в молекуле этилена

перекрываются "боками", называется π-связью (а сами такие электроны — π-электронами). Все вместе это и есть двойная связь. Двойная связь короче простой, ее длина 0,133 нм.

Итак, мы разобрали устройство еще одной детали, из которых можно строить "здания" органических соединений. Какие же это здания?

Возьмем сначала такие сочетания: одна молекула этилена и несколько молекул метана. Если один атом водорода в молекуле этилена заменить на метильную группу (т. е. на остаток метана), то получим пропилен (называемый иначе пропеном) СН_>2=СН-СН_>3.

Теперь построим следующий член гомологического ряда (т. е. член, имеющий на одну группу СН_>2 больше). Для этого заместим один из атомов водорода в пропилене на метильную группу. Возможностей такого замещения несколько, в результате мы получим три различных бутилена (бутена).

Замещая водород метильной группы, придем к нормальному бутену-1: СН_>2=СН-СН_>2-СН_>3. Замещение водорода на другом конце даст бутен-2: СН_>3-СН=СН-СH_>3. Наконец, замещая единственный водород при двойной связи, получим изо-бутилен: СН_>2=С(СН_>3)_>2. Это три различных вещества, имеющих разные температуры кипения и плавления. Состав всех этих углеводородов отражается общей формулой С