Anglies atomai sudaro daugumos organinių junginių pagrindą. Todėl nagrinėjant cheminius ryšius organiniuose junginiuose būtina giliau panagrinėti anglies atomo sandarą ir cheminio ryšio susidarymą.
Kaip minėta, elektronas yra dalelė ir banga, todėl negalima vienu metu nustatyti elektrono koordinačių konkrečiu laiko momentu. Elektrono buvimas kurioje nors erdvės vietoje ties branduoliu apibūdinamas tikimybiškai, t.y. tam tikroje erdvės dalyje jis būna dažniausiai, kitur – rečiau. Jei kiekvieną vietą, kurioje būna elektronas aplink branduolį, pažymėtume taškeliu, gautume vaizdą, primenantį rūko debesį, tirštą centre ir pamažu retėjantį kraštų link. Dažniausiai elektronas būna arčiau branduolio, tolstant nuo jo – rečiau. Taigi, skiriasi debesies elektroninis tankis – jis didesnis arčiau branduolio (16 pav.). Kvantinės chemijos metodai matematiškai aprašo elektrono tankio pasiskirstymą erdvėję. Taigi elektronų debesies tankis reiškia didesnę tikimybę toje erdvės dalyje rasti elektroną. Tokia erdvės dalis vadinama orbitale.
16 pav. Elektronų judėjimo apie branduolį vaizdas
Elektronų debesies forma ilgą laiką buvo gaunama tik teoriniais metodais. Padidinę atomą daugiau kaip šimtą milijonų kartų matomas rutulys neryškiu paviršiumi. Skirtingų atomų bendras vaizdas panašus, nors skirtųsi rutulių dydis ir juos sudarančių atomų elektronų debesų tankis. Neseniai panaudojus lazerinę spinduliuotę ir lauko emisijos mikroskopiją pavyko gauti elektronų vaizdus. 17 pav. pavaizduoti gauti anglies atomo ir azoto molekulės, sudarytos iš dviejų azoto atomų, vaizdai.
17 pav. a) Anglies atomo orbitalės lauko emisijos mikroskopu (I. M. Mikhailovskij, E. V. Sadanov, T. I. Mazilova, V. A. Ksenofontov, O. A. Velicodnaja, Physical Review B, 2009, Vol. 80, No. 16; b) Naudojant femtosekundinius lazerio impulsus ir kompiuterinę tomografiją gautas azoto molekulės elektronų orbitalių vaizdas. Azoto molekulės buvo apspinduliuotos 60-ies femtosekundžių lazerio šviesos impulsais, ilgis 800-nm, intensyvumas 2 × 1014 W/cm-2.
Elektronai yra išsidėstę sluoksniais, elektronų sluoksnių skaičių rodo atomo periodo numeris periodinėje cheminių elementų lentelėje. Pavyzdžiui, vandenilis H, pirmojo periodo elementas, turi tik vieną elektronų sluoksnį, litis Li ir anglis C – du, magnis Mg ir siera S – tris, kalcis Ca – keturis ir t. t.
Orbitalių skaičius sluoksnyje priklauso nuo elektronų skaičiaus. Atomo branduolio krūvį ir elektronų skaičių rodo elemento eilės numeris periodinėje elementų lentelėje. Vadinasi, orbitalių skaičių nesunkiai galime sužinoti to sluoksnio elektronų skaičių padaliję iš 2.
Orbitalės skirtingai išsidėsčiusios erdvėje ir yra skirtingos formos. Pirmojo sluoksnio orbitalė yra rutulio formos. Antrojo sluoksnio orbitalės skirtingos: viena rutulio formos (analogiška pirmojo sluoksnio orbitalei, tik didesnė), kitos trys primena paverstą aštuoniukę. Šios išsidėsčiusios skirtingose trimatės erdvės ašyse x, y, z. Rutulio formos orbitalės žymimos raide s, o aštuoniukės formos – raide p. Skaičiai prieš orbitalės žymenį rodo sluoksnį, o laipsnio rodiklis prie orbitalės simbolio – elektronų skaičių tos formos orbitalėse. Tai vadinama elektronų konfigūracija. Taigi, kokia tvarka išsidėstę anglies atomo elektronai, užrašytume taip – 1s22s 22p2.
Bet kuriame sluoksnyje, išskyrus pirmąjį, būna tik po vieną s orbitalę ir tris p orbitales. d ir f tipo orbitalės yra žymiai sudėtingesnės.
Atomo savybes daugiausia lemia išorinio sluoksnio elektronai. Vidinio sluoksnio elektronai paprastai nedalyvauja susidarant cheminiam ryšiui. Todėl apie atomo savybes galima spręsti iš jo išorinio sluoksnio elektronų išsidėstymo. Anglies atomas sudarytas iš dviejų sluoksnių. Pirmasis yra užpildytas, o antrasis, išorinis – ne, jame gali būti dar keturi elektronai. Anglies atomo elektronų išsidėstymą galima pavaizduoti tokiu būdu (18 pav.):
18 pav. Anglies atomo schemiškas elektronų išsidėstymas.
Du laisvi elektronai nebūna vienoje orbitalėje, t.y vadinamas Pauli draudimo principas, pagal kurį bet kokioje kvantinėje sistemoje (atome, molekulėje ir t. t.) kiekviename energiniame lygmenyje gali būti ne daugiau nei du elektronai, ir jų sukiniai užimančių vienu metu tą patį lygį yra priešingų krypčių. Dėl to žemiausiame lygmenyje išsidėsto du elektronai, likusieji užpildo poromis aukštenius lygius. 2p lygmens elektronai yra vienodi, o tokie vienoje orbitalėje negali būti, todėl elektronai išsidėstę skirtingose 2px ir 2py orbitalėse.
Anglies elektronų orbitalės pavaizduotos 19 pav.
2s 2px 2py
19 pav. Anglies atomo 2s, 2px ir 2py orbitalės
Plokštumoje orbitalės vaizduojamos simboliais, parodytais 20 paveiksle.
s orbitalė p orbitalė
20 pav. s ir p orbitalių simboliai
Sudarydamas junginius anglies atomas turėtų prisijungti keturis elektronus, kurių jam trūksta iki pilno išorinio sluoksnio elektronų ir juos dažniausiai gauna iš kitų elementų.
Anglies atomas išoriniame sluoksnyje turi 1s ir 3p orbitales. Nustatyta, kad jos molekulėse pasidaro vienodos formos, besiskiriančios nuo s ir nuo p. Tokių orbitalių gali būti keturios. Jos vadinamos hibridinėmis.
Tokios hibridinės orbitalės forma apskaičiuojama matematiškai. Taigi anglies atomas gali turėti 4 hibridines orbitales, vaizduojamas kaip asimetriški aštuonetukai.
Iš vienos s ir vienos p orbitalės gaunamos dvi hibridinės orbitalės, žymimos sp. Jos skiriasi ir nuo s, ir nuo p, o vaizduojamos kaip pakitusi aštuoniukė (21 pav.).
s orbitalė p orbitalė dvi hibridinės sp orbitalės
21 pav. sp hibridinių orbitalių susidarymas