Сказка «Образование и ориентация химических связей в органических соединениях»

В классе присутствуют ученики - химические элементы периодической системы Д. И. Менделеева. Тема урока – ориентация химических связей в химических соединениях, в частности, в органических соединениях.

Учитель поднимает ученика, имя которому Углерод. Попытайся ответить на вопрос: «Чтобы ты сделал при встрече с Водородом?» Углерод отвечает: «Если Водород захочет, я готов образовать с ним связь. Для моих четырех электронов необходимы четыре атома Водорода, с которыми мы договоримся таким образом: я как самый главный, буду стоять у вершины треугольной пирамиды. Три атома Водорода расположатся подо мной в вершинах треугольного основания пирамиды. Их я свяжу свободными р-электронами. А четвертому атому Водорода нужно забраться повыше. Его электронное облако будет перекрываться с электронным облаком моего свободного s – электрона».

Учитель кивнул. Он был явно доволен, но по выражению лица было видно, что Углерод в чем-то ошибся. Учитель сказал: « Рассуждаешь ты правильно, но твоя модель молекулы метана – соединения, которое получается при взаимодействии одного атома Углерода и четырех атомов Водорода, будет выглядеть иначе. Ты себе не представляешь, как хитры твои электроны. Когда они занимали места в твоей электронной оболочке, они были послушны и занимали те энергетические уровни, которые им полагались. Поэтому у тебя три р-электрона и один s-электрон. Но когда электроны узнали, что они могут заключать союзы с чужими электронами и образовывать новые связи, то они забыли о своих различиях и каждый стал стремиться быть первым. До ссор у них не доходит, потому что все вопросы они решают между собой по справедливости. S - электрон обладает меньшей энергией, чем р-электроны, но они не бросают своего приятеля в беде. Они собираются вчетвером, крепко берутся за руки и решают, что имеем будет общим! И так распределяют свою энергию, что с этого момента нет р - электронов, s- электрона, а имеются гибридные электроны. Гибридизация уничтожает существенные различия между валентными электронами. Теперь у Углерода будет четыре валентных электрона с совершенно одинаковыми облаками в виде вытянутых восьмерок, которые будут направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится ядро атома Углерода» (рис.1).

«А можно задать вопрос, - спросил Углерод, - Всегда ли нужно стремиться к образованию связей с другими элементами? Нельзя ли так: некоторые из возможных связей оставить для соединения с атомами нашего же семейства? Мы очень дружны и часто сцепляемся по несколько штук вместе. Тогда какой- то атом Углерода может оказаться между двумя, тремя атомами Углерода. В этом случае между нами образуется по две или три связи. А иногда между двумя атомами Углерода образуется по две или три связи. В таком случае, как будут изменяться наши электронные облака? Ведь они не находятся в одной плоскости, а, как вы говорили, направлены к вершинам тетраэдра. Полученная двойная связь означает, что произошло перекрывание двух электронных облаков атома Углерода. По-моему, это очень сложная задача».

«Да, это довольно сложно - согласился учитель, - но не невозможно. Два электронных облака перекрываются, как обычно, вот так, - и учитель нарисовал на доске две гантели, которые частично перекрывали друг друга своими вершинами. Эти два облака находятся в одной плоскости, так как я их расположил. Эта плоскость расположена перпендикулярно к плоскости, где расположены три гибридных облака атомов Углерода. В этой плоскости перекрываются гибридные облака атомов Углерода и образуется три сигма-связи, две с Водородом, а одна между атомами Углерода. Поэтому говорят, что в этилене плоское строение молекулы. А при перекрывании негибридных облаков образуется пи – связь. Как видите, это два различных способа перекрывания облаков, поэтому и связи неодинаковые.  Такие связи называют двойными.При чем пи-связь менее прочная и легко разрушается. Поэтому о таких соединениях говорят, что они ненасыщенные» (рис.2).

Прозвонил звонок, урок закончился. Ученики, обсуждая услышенное, пошли на перемену.

Рисунок 1.

Куратор Замурий И.В. Рисунок 2.