Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Природа углеродной связи

Что такое правовое положение человека?

Каково содержание основ правового положения человека и гражданина?

Дайте определения гражданства

На какие группы классифицируются основные права и свободы человека и гражданина?

Каково содержание упомянутых выше групп прав и свобод?

Каковы правовые основы деятельности средств массовой информации?

Каковы содержания и гарантии свободы совести и вероисповедания?

Каковы конституционные обязанности граждан России?

Раздел IV Углеродные наноструктуры

Углеродные молекулы

Природа углеродной связи

Для понимания природы углеродной связи необходимо рассмотреть электрон­ную структуру атома углерода. В нем имеется шесть электронов, которые в невоз­бужденном атоме находятся на низших энергетических уровнях. Когда атом угле­рода связан в молекуле с другими атомами, его электронная структура выглядит так: (1s)², (2s), (2р_х), (2p_y), (2p_z). На нижнем уровне 1sс квантовым числом n = 1 находятся два электрона с противоположно направленными спинами. Распреде­ление заряда электрона в s-состоянии сферически симметрично. Эти 1s - электроны не принимают участия в образовании химических связей. Остальные четыре электрона находятся на уровнях с n = 2: один — на сферически симметричной s-орбитали, три — на р_х-, р_у- и р_z - орбиталях. Распределения заряда на p - орбиталях имеют сильно удлиненную в одном направлении форму и их оси взаимно пер­пендикулярны, как показано на рис. 5.1а. Внешняя s - орбиталь и три p - орбитали и формируют химические связи атома углерода с другими атомами. Распределе­ния зарядов, связанных с этими орбиталями, смешиваются, или другими слова­ми — перекрываются с распределениями зарядов каждого связанного с углеродом атома. В сущности можно рассматривать облако электронного заряда между дву­мя связанными атомами как клей, сцепляющий эти атомы. На основе таких уп­рощенных рассуждений молекула метана (СН₄) могла бы иметь вид, показанный на рис. 5.1б, где все связи Н - С перпендикулярны друг другу.

Однако в действительности структура молекулы метана не такая, а тетраэдрическая, с углами меж­ду углеродными связями, составляющими 109°28', как пока-зано на рис. 5.1в. Этот факт объясняет концепция гибридизации. В атоме углерода разность энергий между 2s- и 2р- уровнями очень мала, что позволяет волновым функциям 2s- состояния смешива-ться с одной или несколькими волновыми функциями 2р – сос-тояния. Ненормализованная вол-новая функция Ψ валентного со­стояния может быть записана в виде: Ψ = s + λp, (5.1)

где pозначает смесь p_i орбиталей. При такой гибридизации направ-ления лепестков p – орбиталей и угла между ними меняются. Углы зависят от относительного коэффициента смешива­ния λ p – состояний с s – состояниями.

В таблице 5.1 определены три вида ги­бридизации и даны углы между связя­ми в разных случаях, составляющие 180°, 120° и 109°28' для линейной струк­туры ацетилена (Н—С=С—Н), планарной структуры этилена (Н₂С=СН₂) и тетраэдрической структуры метана (СН₄) соответственно. Обычно боль­шинство углов между связями углерода в органических молекулах имеет имен­но эти значения. Например, угол угле­родной связи в алмазе равен 109°, в графите и бензоле — 120°.

Твердый углерод имеет две основные формы, называемые аллотропными мо­дификациями, — алмаз и графит. Они стабильны при комнатной температуре. Ал­маз состоит из атомов углерода, тетраэдрически связанных друг с другом посред­ством sр³ - гибридизированных связей, образующих трехмерную сетку. У каждого атома углерода — четыре ближайших соседа. Графит имеет слоистую структуру, причем каждый слой образован шестиугольниками из атомов углерода, связан­ных посредством sp² гибридизированной связи, угол между которыми составляет 120°. У каждого атома углерода есть три ближайших соседа в плоскости слоя. Эти гексагональные слои связаны друг с другом относительно слабыми силами Ван-дер-Ваальса, описанными в предыдущей главе.

Таблица 5.1. Типы spn- гибридизации, образующиеся углы между связями и приме­ры соответствующих молекул