Содержание.

I.Химическая связь. 2

II.Ковалентная связь.

1.Методы изучения ковалентной связи. 2

B.Метод валентных связей. 3

C.Метод молекулярных орбиталей. 5

1.Свойства ковалентной связи. 7

2.1. Длина связи. 7

2.2. Энергия связи. 9

2.3. Кратность ковалентной связи. 11

2.4. Насыщаемость ковалентной связи. 13

2.5. Направленность ковалентной связи. 14

2.6. Полярность и поляризуемость ковалентной связи. 16

2.7. Гибридизация. 18

3. Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи. 20

III. Литература. 23

Химическая связь.

Химическую связь можно определить как взаимодействие двух или нескольких атомов, в результате которого образуется химически устойчивая многоатомная микросистема (молекула, кристалл, комплекс и др.).

Учение о связи занимает центральное место в современной химии, поскольку химия как таковая начинается там, где кончается изолированный атом и начинается молекула. В сущности, все свойства веществ обусловлены особенностями связей в них. Главное отличие химической связи от других видов взаимодействия между атомами заключается в том, что ее образование определяется изменением состояния электронов в молекуле по сравнению с исходными атомами. Теория связи должна дать ответы на ряд вопросов. Почему образуются молекулы? Почему одни атомы вступают во взаимодействие, а другие – нет? Почему атомы соединяются в определенных соотношениях? Почему атомы располагаются в пространстве определенным образом? И наконец, надо рассчитать энергию связи, ее длину и другие количественные характеристики.

В большинстве случаев при образовании связи происходит обобществление электронов связываемых атомов. Такой тип химической связи называют ковалентной связью (приставка "ко-" в латинском языке означает совместность, "валенс" - имеющий силу). Связывающие электроны находятся преимущественно в пространстве между связываемыми атомами. За счет притяжения ядер атомов к этим электронам образуется химическая связь. Таким образом, ковалентная связь - это химическая связь, возникающая за счет увеличения электронной плотности в области между химически связанными атомами.

Ковалентная связь.

Методы изучения ковалентной связи.

В настоящее время для изучения химической связи в основном используют два метода: 1) валентных связей; 2) молекулярных орбиталей. 1.1. Метод валентных связей.

В рамках первого метода рассматривают индивидуальные атомы, вступающие во взаимодействие, исходя из принципа завершенности электронной оболочки (правило октета). Ковалентная связь с точки зрения метода валентных связей образуется за счет обобществления электронной пары. Рассмотрим квантово-механическую модель ковалентной связи по методу валентных связей на примере молекулы водорода. В 1927 г. уравнение Шрёдингера было решено для молекулы водорода немецкими физиками В.Гейтлером и Ф.Лондоном. Это была первая удачная попытка применения квантовой механики к решению проблем связи. Их работа заложила основы метода валентных связей, или валентных схем.

Рис.1 Фото. Ф. Лондон. Рис.2. Фото. В.Гейтлер.

Результаты расчета можно представить графически в виде зависимостей сил взаимодействия между атомами (рис.3, а) и энергии системы (рис. 3, б) от расстояния между ядрами атомов водорода. Ядро одного из атомов водорода поместим в начало координат, а ядро второго будем приближать к ядру первого атома водорода вдоль оси абсцисс. Если спины электронов антипараллельны, силы притяжения (рис. 3, а, кривая I) и силы отталкивания (кривая II) будут нарастать. Результирующая этих сил представлена кривой III. Сначала преобладают силы притяжения, затем – отталкивания. Когда расстояние между ядрами становится равным r 0 = 0,074 нм, сила притяжения уравновешивается силой отталкивания. Равновесию сил соответствует минимальная энергия системы (рис. 3, б, кривая IV) и, следовательно, наиболее устойчивое состояние. Глубина «потенциальной ямы» представляет энергию связи Е 0 Н–Н в молекуле Н 2 при абсолютном нуле. Она составляет 458 кДж/моль. Однако при реальных температурах на разрыв связи требуется несколько меньшая энергия Е Н–Н , которая при 298К (25 °С) равна 435 кДж/моль. Разность этих энергий в молекуле Н 2 является энергией колебаний атомов водорода (Е кол = Е 0 Н–Н – Е Н–Н = 458 – 435 = 23 кДж/моль).

Рис. 3. Зависимость сил взаимодействия атомов (а) и энергии системы (б)
от расстояния между ядрами атомов в молекуле Н 2

При сближении двух атомов водорода, содержащих электроны с параллельными спинами, энергия системы постоянно увеличивается (рис. 3, б, кривая V) и связь не образуется.

Таким образом, квантово-механический расчет дал количественное объяснение связи. При наличии у пары электронов противоположных спинов электроны двигаются в поле обоих ядер. Между ядрами появляется область с высокой плотностью электронного облака – избыточного отрицательного заряда, который стягивает положительно заряженные ядра. Из квантово-механического расчета следуют положения, являющиеся основой метода валентных связей:

Причиной связи является электростатическое взаимодействие ядер и электронов.
2. Связь образуется электронной парой с антипараллельными спинами.
3. Насыщаемость связи обусловлена образованием электронных пар.
4. Прочность связи пропорциональна степени перекрывания электронных облаков.
5. Направленность связи обусловлена перекрыванием электронных облаков в области максимальной электронной плотности.

Простой метод валентных связей для химика наиболее понятен, удобен и нагляден, лучше всего отвечает целям первичного обучения. Недостаток метода валентных связей состоит в том, что в его рамках нельзя объяснить некоторые экспериментальные данные.

Большей эффективностью обладает метод молекулярных орбиталей, в котором рассматриваются электроны, находящиеся в поле притяжения, созданном всеми атомными ядрами молекулы. С точки зрения метода молекулярных орбиталей в молекуле нет атомов как таковых, а есть взаимно отталкивающиеся ядра и взаимодействующие с ними и между собой электроны.

Метод молекулярных орбиталей (МО) наиболее нагляден в его графической модели линейной комбинации атомных орбиталей (ЛКАО). Метод МО ЛКАО основан на следующих правилах.

1. При сближении атомов до расстояний химических связей из атомных орбиталей образуются молекулярные.

2. Число полученных молекулярных орбиталей равно числу исходных атомных.

3. Перекрываются атомные орбитали, близкие по энергии. В результате перекрывания двух атомных орбиталей образуются две молекулярные. Одна из них имеет меньшую энергию по сравнению с исходными атомными и называется связывающей , а вторая молекулярная орбиталь обладает большей энергией, чем исходные атомные орбитали, и называется разрыхляющей .

4. При перекрывании атомных орбиталей возможно образование и -связи (перекрывание по оси химической связи), и -связи (перекрывание по обе стороны от оси химической связи).

5. Молекулярная орбиталь, не участвующая в образовании химической связи, носит название несвязывающей . Ее энергия равна энергии исходной АО.

6. На одной молекулярной орбитали (как, впрочем, и атомной) возможно нахождение не более двух электронов.

7. Электроны занимают молекулярную орбиталь с наименьшей энергией (принцип наименьшей энергии).

8. Заполнение вырожденных (с одинаковой энергией) орбиталей происходит последовательно по одному электрону на каждую из них.

Применим метод МО ЛКАО и разберем строение молекулы водорода. Изобразим на двух параллельных диаграммах энергетические уровни атомных орбиталей исходных атомов водорода

Рис. 4 Энергетическая диаграмма несвязанных атомов водорода.

Далее мысленно перекроем две атомные орбитали, образовав две молекулярные, одна из которых (связывающая) обладает меньшей энергией (расположена ниже), а вторая (разрыхляющая) – большей энергией (расположена выше) (рис. 5).

Рис. 5 Диаграмма уровней энергии АО атомов H и МО молекулы H 2

Видно, что имеется выигрыш в энергии по сравнению с несвязанными атомами. Свою энергию понизили оба электрона, что соответствует единице валентности в методе валентных связей (связь образуется парой электронов).
Хотя метод молекулярных орбиталей более строг и универсален , он позволяет полнее объяснить экспериментальные данные.

III.Свойства ковалентной связи.

Свойства ковалентной связи: энергия, длина, полярность, насыщаемость, направленность, гибридизация, кратность.

2.1.Длина химической связи.

При образовании химической связи всегда происходит сближение атомов - расстояние между ними меньше, чем сумма радиусов изолированных атомов:

r (A−B) < r (A) + r (B). Радиус атома водорода составляет 0,053 нм, атома фтора – 0,071 нм, а расстояние между ядрами атомов в молекуле HF равно 0,092 нм:

Межъядерное расстояние между химически связанными атомами называется длиной химической связи.

Во многих случаях длину связи между атомами в молекуле вещества можно предсказать, зная расстояния между этими атомами в других химических веществах. Длина связи между атомами углерода в алмазе равна 0,154 нм, между атомами галогена в молекуле хлора – 0,199 нм. Полусумма расстояний между атомами углерода и хлора, рассчитанная из этих данных, составляет 0,177 нм, что совпадает с экспериментально измеренной длиной связи в молекуле CCl 4 . В то же время это выполняется не всегда. Например, расстояние между атомами водорода и брома в двухатомных молекулах составляет 0,074 и 0,228 нм, соответственно. Среднее арифметическое этих чисел составляет 151 нм, однако реальное расстояние между атомами в молекуле бромоводорода равно 141 нм, то есть заметно меньше.

Расстояние между атомами существенно уменьшается при образовании кратных связей. Чем выше кратность связи, тем короче межатомное расстояние .

Длины некоторых простых и кратных связей.

2.2. Энергия связи . Химическая связь возникает лишь в том случае, если полная энергия взаимодействующих атомов уменьшается, т.е. при образовании связи должна всегда выделяться энергия. Количество энергии, выделяющейся при образовании химической связи, называется энергией связи E СВ (кДж/моль).

Энергия связи является мерой прочности связи. Чем больше выделяется энергии при образовании молекулы, тем больше энергии надо затратить на разрыв, т.е. тем молекула прочнее.

Химическое соединение образуется из отдельных атомов только в том случае, если это энергетически выгодно. Если силы притяжения преобладают над силами отталкивания, потенциальная энергия взаимодействующих атомов понижается, в противном случае − повышается. На некотором расстоянии (равном длине связи r 0 ) эта энергия минимальна.

Рис. 6. Энергия химической связи.

Таким образом, при образовании химической связи энергия выделяется, при ее разрыве − поглощается. Энергия E 0 , необходимая для того, чтобы разъединить атомы и удалить их друг от друга на расстояние, на котором они не взаимодействуют, называется энергией связи . Для двухатомных молекул энергия связи определяется как энергия диссоциации молекулы на атомы. Она может быть измерена экспериментально. В молекуле водорода энергия связи численно равна энергии, которая выделяется при образовании молекулы Н 2 из атомов Н: Н + Н = Н 2 + 432 кДж. Эту же энергию нужно затратить, чтобы разорвать связь Н-Н: H 2 = H + H − 432 кДж.

Для многоатомных молекул эта величина является условной и отвечает энергии такого процесса, при котором данная химическая связь исчезает, а все остальные остаются без изменения. При наличии нескольких одинаковых связей (например, для молекулы воды, содержащей две связи кислород−водород) их энергию можно рассчитать, используя закон Гесса . Величины энергии распада воды на простые вещества, а также энергии диссоциации водорода и кислорода на атомы известны: 2Н 2 О = 2Н 2 + О 2 ; 484 кДж/моль

Н 2 = 2Н; 432 кДж/моль

О 2 = 2О; 494 кДж/моль

Учитывая, что в двух молекулах воды содержится 4 связи, энергия связи кислород-водород равна:

Е (О−Н) = (2 . 432 + 494 + 484) / 4 = 460,5 кДж/моль

В молекулах состава AB n последовательный отрыв атомов В сопровождается определенными (не всегда одинаковыми) затратами энергии. Например, значения энергии (кДж/моль) последовательного отщепления атомов водорода от молекулы метана существенно различаются:

При этом энергия связи А−В определяется как средняя величина затраченной энергии на всех стадиях:

СН 4 = С + 4Н; 1649 кДж/моль

Е (С−Н) = 1649 / 4 = 412 кДж/моль

Чем выше энергия химической связи, тем прочнее связь . Связь считается прочной, или сильной, если ее энергия превышает 500 кДж/моль (например, 942 кДж/моль для N 2 ), слабой - если ее энергия меньше 100 кДж/моль (например, 69 кДж/моль для NO 2 ). Если при взаимодействии атомов выделяется энергия менее 15 кДж/моль, то считают, что химическая связь не образуется, а наблюдается межмолекулярное взаимодействие (например, 2 кДж/моль для Xe 2 ). Прочность связи обычно уменьшается с увеличением ее длины.

Одинарная связь всегда слабее, чем кратные связи - двойная и тройная - между теми же атомами.

Энергии некоторых простых и кратных связей.

Кратность ковалентной связи или делоколизация связи - число связей, образующихся между атомами, называется кратностью (порядком) связи. С увеличением кратности (порядка) связи изменяется длина связи и ее энергия. Относительно линии соединяющей центры атомов образующих связь различают σ и π -связь (рис.9).

Рис. 7. Схема образования связей в молекуле азота: а) σ - связей; б) π – связей.

Связь, образованная перекрыванием электронных облаков по оси, проходящей через ядра атомов, называется σ -связью.

Рис. 8. Примеры σ -связей

Связь, образованная перекрыванием электронных облаков по обе стороны от оси, проходящей через ядра атомов, называется π -связью. Примеры π -связи приведены на рис. 9 . Такое перекрывание энергетически менее выгодно, чем по σ -типу. Оно осуществляется периферийными частями электронных облаков с меньшей электронной плотностью. Увеличение кратности связи означает образование π -связей, которые имеют меньшую энергию по сравнению с σ -связью. В этом и есть причина нелинейного увеличения энергии связи в сравнении с увеличением кратности.

Рис. 9. Примеры π –связей

Атом не может образовать бесконечное число ковалентных связей, оно вполне определенное. Максимальное число связей, которое может образовать атом, определяется числом его валентных электронных орбиталей. Это и определяет насыщаемость ковалентной связи. Благодаря насыщаемости связей молекулы имеют определенный состав. Численное значение валентности в методе валентных связей определяется числом ковалентных связей, которые атом образует с другими атомами. Рассмотренный для молекулы Н 2 механизм образования связи парой электронов с антипараллельными спинами, принадлежавших до образования связи разным атомам, называется обменным. Если учитывать только обменный механизм, валентность атома определяется числом его неспаренных электронов.

Очевидно, что число ковалентных связей не может превышать числа образующих связи электронных пар. Однако насыщаемость как свойство ковалентной связи означает также, что если атом имеет некоторое количество неспаренных электронов, то все они должны участвовать в образовании ковалентных связей. Это свойство объясняется принципом наименьшей энергии. При образовании каждой дополнительной связи выделяется дополнительная энергия. Поэтому все валентные возможности реализуются полностью. Действительно, устойчива молекула Н 2 S, а не НS , где имеется нереализованная связь (неспаренный электрон обозначают точкой). Частицы, содержащие неспаренные электроны, называют свободными радикалами. Они чрезвычайно реакционноспособны и вступают в реакции с образованием соединений, содержащих насыщенные связи.

Другое важное свойство ковалентной связи - ее направленность в пространстве. Направленность связи обусловливает пространственную структуру молекул, т. е. их геометрическую форму. Рассмотрим примеры.

В молекуле фтора F 2 связь образована 2р-орбиталями атомов фтора:

Наибольшая плотность электронного облака у 2р-орбитали в направлении оси симметрии. Если неспаренные электроны атомов фтора находятся на 2р х -орбиталях, связь осуществляется в направлении оси х (рис.10). На 2р y - и 2р z -орбиталях находятся неподеленные электронные пары, не участвующие в образовании связей (на рис. 10 заштрихованы).

Рис. 10. Образование молекулы F 2

В молекуле фтороводорода НF связь образована 1s-орбиталью атома водорода и 2р х -орбиталью атома фтора:

Направленность связи в этой молекуле определяется ориентацией 2р х -орбитали атома фтора (рис. 11). Перекрывание происходит в направлении оси симметрии х. Любой другой вариант перекрывания энергетически менее выгоден.

Рис. 11. Образование молекулы НF

Более сложные d- и f-орбитали также характеризуются направлениями максимальной электронной плотности вдоль осей их симметрии.

Направленность связи хорошо иллюстрирует пример молекулы сероводорода Н 2 S:

Поскольку оси симметрии валентных 3р-орбиталей атома серы взаимно перпендикулярны, то следует ожидать, что молекула Н 2 S должна иметь уголковую структуру с углом между связями S–Н 90° (рис. 12). Действительно, угол близок к расчетному и равен 92°.

Рис. 12. Образование молекулы Н 2 S

Направление ковалентных связей характеризуется валентными углами - углами между линиями, соединяющими связываемые атомы. Графическая формула химической частицы не несет информации о валентных углах. Например, в сульфат-ионе SO 4 2− валентные углы между связями сера−кислород равны 109,5 o , а в тетрахлоропалладат-ионе 2− − 90 o . Совокупность длин связей и валентных углов в химической частице определяет ее пространственное строение. Для определения валентных углов используют экспериментальные методы изучения структуры химических соединений. Оценить значения валентных углов можно теоретически, исходя из электронного строения химической частицы.

Таким образом, направленность – одно из основных свойств ковалентной связи.

Полярность химической связи зависит от разности электроотрицательностей связываемых атомов. Электроотрицательность − условная величина, характеризующая способность атома в молекуле притягивать электроны. Если в двухатомной молекуле А−В образующие связь электроны притягиваются к атому В сильнее, чем к атому А, то атом В считается более электроотрицательным. Шкала электроотрицательности была использована Л. Полингом для количественной характеристики способности атомов к поляризации ковалентных связей. Самое высокое значение электроотрицательности имеет фтор. Наименее электроотрицательный элемент - цезий. Чем выше значение разности электроотрицательностей двух атомов, тем более полярной является химическая связь между ними. В зависимости от того, как происходит перераспределение электронной плотности при образовании химической связи, различают несколько ее типов. Предельный случай поляризации химической связи - полный переход электрона от одного атома к другому. При этом образуются два иона, между которыми возникает ионная связь. Для того чтобы два атома смогли создать ионную связь, необходимо, чтобы их электроотрицательности очень сильно различались. Если электроотрицательности атомов равны (при образовании молекул из одинаковых атомов), связь называют неполярной ковалентной .

Рис.13. Ковалентная неполярная связь.

Рис.14. Ковалентная полярная связь.

Чаще всего встречается полярная ковалентная связь - она образуется между любыми атомами, имеющими разные значения электроотрицательности. Количественной оценкой полярности ("ионности") связи могут служить эффективные заряды атомов. Эффективный заряд атома характеризует разность между числом электронов, принадлежащих данному атому в химическом соединении, и числом электронов свободного атома. Атом более электроотрицательного элемента притягивает электроны сильнее. Поэтому электроны оказываются ближе к нему, и он получает некоторый отрицательный заряд, который называют и эффективным, а у его партнера появляется такой же положительный заряд.

Гибридизация орбиталей - это изменение формы некоторых орбиталей при образовании ковалентной связи для достижения более эффективного перекрывания орбиталей.

sp 3 - Гибридизация . Одна s - орбиталь и три p - орбитали превращаются в четыре одинаковые "гибридные" орбитали, угол между осями которых равен 109 ° 28".

Рис.15. sp 3 - Гибридизация .

sp 3 - гибридизация, имеют тетраэдрическую геометрию (CH 4 , NH 3 ).

sp 2 - Гибридизация. Одна s - орбиталь и две p - орбитали превращаются в три одинаковые "гибридные" орбитали, угол между осями которых равен 120 ° .

Рис. 16. sp 2 - Гибридизация .

Если связь образуется при перекрывании орбиталей по линии, соединяющей ядра атомов, она называется s - связью. Если орбитали перекрываются вне линии, соединяющей ядра, то образуется p - связь. Три sp 2 - орбитали могут образовывать три s - связи ( BF 3 , AlCl 3 ). Еще одна связь (p - связь) может образоваться, если на p - орбитали, не участвующей в гибридизации, находится электрон (этилен C 2 H 4 ).

Молекулы, в которых осуществляется sp 2 - гибридизация, имеют плоскую геометрию.

sp - Гибридизация. Одна s - орбиталь и одна p - орбиталь превращаются в две одинаковые "гибридные" орбитали, угол между осями которых равен 180 ° .

Рис.17. sp - Гибридизация .

Две sp - орбитали могут образовывать две s - связи (BeH 2 , ZnCl 2 ). Еще две p - связи могут образоваться, если на двух p - орбиталях, не участвующих в гибридизации, находятся электроны (ацетилен C 2 H 2 ).

Молекулы, в которых осуществляется sp - гибридизация, имеют линейную геометрию.

3.Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи

Все рассмотренные нами выше молекулы веществ образованы по обменному механизму. Однако нельзя забывать о еще одном способе образования ковалентной связи – донорно-акцепторном.

Пара электронов с антипараллельными спинами, образующая связь, может быть получена не только по обменному механизму, предусматривающему участие электронов обоих атомов, но и по иному механизму, называемому донорно-акцепторным: один атом (донор) предоставляет для образования связи неподеленную пару электронов, а другой (акцептор) – вакантную квантовую ячейку:

Рис. 18. Механизмы образования ковалентной связи.

Результат по обоим механизмам получается одинаковый. Часто образование связи можно объяснить и тем, и другим механизмом. Например, молекулу НF можно получить не только в газовой фазе из атомов по обменному механизму, как показано выше (рис. 18 ), но и в водном растворе из ионов Н + и F – по донорно-акцепторному механизму:

Вне сомнений, молекулы, полученные по разным механизмам, неразличимы; связи совершенно равноценны. Поэтому правильнее не выделять донорно-акцепторное взаимодействие в особый вид связи, а считать его лишь особым механизмом образования ковалентной связи.

Когда хотят подчеркнуть механизм образования связи именно по донорно-акцепторному механизму, ее обозначают в структурных формулах стрелкой от донора к акцептору (D®А). В других случаях такую связь не выделяют и обозначают черточкой, как и по обменному механизму: D–А.

Связи в ионе аммония, образующегося по реакции: NH 3 + H + = NH 4 + ,

выражаются следующей схемой:

Структурную формулу NН 4 + можно представить как

Вторая форма записи предпочтительней, поскольку отражает экспериментально установленную равноценность всех четырех связей.

Образование химической связи по донорно-акцепторному механизму расширяет валентные возможности атомов: валентность определяется не только числом неспаренных электронов, но и числом неподеленных электронных пар и вакантных квантовых ячеек, участвующих в образовании связей. Так, в приведенном примере валентность азота равна четырем.

Донорно-акцепторный механизм успешно используется для описания связи в комплексных соединениях по методу ВС.

Литература.

Ахметов Н. С. Неорганическая химия. - изд. 2-е перераб. и доп.. - М.: Высшая школа, 1975.

Габриелян. О.С., Остроумов И.Г. Химия. – М.: «Дрофа», 2008.

http://www.km.ru/referats/B496925228A344ECA85A5BA4B17AA5B2

Можно рассматривать в рамках двух методов квантовой химии: метода валентных связей и метода молекулярных орбиталей .

В 1916 г. американский ученый Льюис высказал предположение о том, что химическая связь образуется за счет обобществления двух электронов . При этом электронная оболочка атома стремится по строению к электронной оболочке благородного газа . В дальнейшем эти предположения послужили основой для развития метода валентных связей. В 1927 г. Гайтлером и Лондоном был выполнен теоретический расчет энергии двух атомов водорода в зависимости от расстояния между ними. Оказалось, что результаты расчета зависят от того, одинаковы или противоположны по знаку спины взаимодействующих электронов. При совпадающем направлении спинов сближение атомов приводит к непрерывному возрастанию энергии системы. При противоположно направленных спинах на энергетической кривой имеется минимум, т.е. образуется устойчивая система - молекула водорода Н 2 (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 - Зависимость энергии от расстояния между атомами водорода при однонаправленных и противоположно направленных спинах.

Межъядерное расстояние r 0 , соответствующее минимуму, называется длиной связи , а энергия связи равна глубине потенциальной ямы E 0 -E 1 , где Е 0 - энергия двух невзаимодействующих атомов, находящихся на бесконечном расстоянии друг от друга.

Образование химической связи между атомами водорода является результатом взаимопроникновения (перекрывания) электронных облаков . Вследствие этого перекрывания плотность отрицательного заряда в межъядерном пространстве возрастает, и положительно заряженные ядра притягиваются к этой области. Такая химическая связь называется ковалентной.

Представления о механизме образования молекулы водорода были распространены на более сложные молекулы. Разработанная на этой основе теория химической связи получила название метода валентных связей (метод ВС). В основе метода ВС лежат следующие положения:

1) Ковалентная связь образуется двумя электронами с противоположно направленными спинами, причем эта электронная пара принадлежит двум атомам.

2) Ковалентная связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются электронные облака.

Комбинации двухэлектронных двухцентровых связей, отражающие электронную структуру молекулы, получили название валентных схем. Примеры построения валентных схем:

В валентных схемах наиболее наглядно воплощены представления Льюиса об образовании химической связи путем обобществления электронов с формированием электронной оболочки благородного газа: для водорода - из двух электронов (оболочка He ), для азота - из восьми электронов (оболочка Ne ).

Свойства ковалентной связи : насыщаемость, направленность и поляризуемость .

Насыщаемость ковалентной связи обусловлена ограниченными валентными возможностями атомов, т.е. их способностью к образованию строго определенного числа связей, которое обычно лежит в пределах от 1 до 6. Общее число валентных орбиталей в атоме, т.е. тех, которые могут быть использованы для образования химических связей, определяет максимально возможную валентность элемента. Число уже использованных для этого орбиталей определяет валентность элемента в данном соединении.

Направленность ковалентной связи является результатом стремления атомов к образованию наиболее прочной связи за счет возможно большей электронной плотности между ядрами. Это достигается при такой пространственной направленности перекрывания электронных облаков, которая совпадает с их собственной. Исключение составляют s-электронные облака , поскольку их сферическая форма делает все направления равноценными. Для p - и d-электронных облаков перекрывание осуществляется вдоль оси, по которой они вытянуты, а образующаяся при этом связь называется σ - связью . σ -Связь имеет осевую симметрию, и оба атома могут вращаться вдоль линии связи, т.е. той воображаемой линии, которая проходит через ядра химически связанных атомов.

После образования между двумя атомами σ - связи для остальных электронных облаков той же формы и с тем же главным квантовым числом остается только возможность бокового перекрывания по обе стороны от линии связи. В результате образуется π - связь . Она менее прочна, чем σ - связь: перекрывание происходит диффузными боковыми частями орбиталей . Каждая кратная связь (например, двойная или тройная) всегда содержит только одну σ - связь. Число σ - связей, которые образует центральный атом в сложных молекулах или ионах, определяет для него значение координационного числаТермин "координационное число" используется также в других областях химии. В случае комплексных соединений он означает количество лигандов, окружающих центральный ион. В кристаллохимии координационное число показывает количество атомов кристаллической решетки, соседних с данным атомом. . Например, в молекуле NH 3 и ионе NH 4 + для атома азота оно равно трем и четырем. Образование σ - связей фиксирует пространственное положение атомов относительно друг друга, поэтому число σ -связей и углы между линиями связи, которые называются валентными углами , определяют пространственную геометрическую конфигурацию молекул.

При оценке степени перекрывания электронных облаков следует учитывать знаки волновых функций электронов. При перекрывании облаков с одинаковыми знаками волновых функций электронная плотность в пространстве между ядрами возрастает. В этом случае происходит положительное перекрывание, приводящее к взаимному притяжению ядер. Если знаки волновых функций противоположны, то плотность электронного облака уменьшается (отрицательное перекрывание), что приводит к взаимному отталкиванию ядер.

Поляризуемость рассматривают на основе представлений о том, что ковалентная связь может быть неполярной (чисто ковалентной) или полярной .

Важными характеристиками химической связи являются также ее длина и кратность. Длина связи определяется расстоянием между ядрами связанных атомов в молекуле. Как правило, длина химической связи меньше, чем сумма радиусов атомов , за счет перекрывания электронных облаков. Кратность связи определяется количеством электронных пар, связывающих два атома, например:

этанH 3 C-CH 3 одинарная связь (σ -связь)

этиленH 2 C=CH 2 двойная связь (одна σ - связь и одна π -связь)

ацетиленHC ≡ CH

Химическая связь между атомами, осуществляемая обобществленными электронами, называется ковалентной связью. Ковалентная связь является универсальным типом химической связи.

Ковалентная связь существует между атомами как в молекулах, так и в кристаллах. Она возникает как между одинаковыми атомами, так и между разными атомами. Характерными особенностями ковалентной связи являются её насыщаемость и направленность. Насыщаемость ковалентных связей обусловлена тем, что в химическом взаимодействии участвуют электроны только внешних энергетических уровней, т. е. ограниченное число электронов.

Электронные облака атомов имеют определенную пространственную ориентацию. Соответственно и область перекрывания электронных облаков находится в определенном направлении по отношению к взаимодействующим атомам. Поэтому ковалентная связь обладает направленностью. Характер распределения электронной плотности при образовании связи зависит от вида взаимодействующих атомов.

Особенности КС:

1. Прочность КС – это свойства характер. длинной связи (межъядерное пространство) и энергии энергией связи.

2. Полярность КС . Различают ковалентную полярную и неполярную связи. Полярная- образуется между атомами с разной ЭО. ОЭО>0. Неполярная – образуется между атомами с одинаковой ЭО. ОЭО=0

3. Насыщаемость КС – это способность атома участвовать только в определенном числе КС, насыщаемость характеризует валентностью атома. Количественные меры валентности явл. число не спаренных электронов у атома в основном и в возбужденном состоянии.

4. Направленность КС. Наиболее прочные КС образуются в направлении максимального перекрывания атомных орбиталей, т.е. мерой направленности служит валентный угол.

5. Гибридизация КС – при гибридизации происходит смещение атомных орбиталей, т.е. происходит выравнивание по энергии и по форме. Существует sp, sp 2 , sp 3 – гибридизация. sp – форма молекулы линейная (угол 180 0), sp 2 – форма молекулы плоская треугольная (угол 120 0), sp 3 - форма тетраэдрическая (угол 109 0 28).

6. Кратность КС или делоколизация связи – Число связей, образующихся между атомами, называется кратностью (порядком) связи. С увеличением кратности (порядка) связи изменяется длина связи и ее энергия.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

При химическом взаимодействии атомов образуются молекулы. Молекулы

Химия наука о строении свойствах веществ их превращениях и сопровождающих явлениях Три главные задачи исследование строения вещества... Различают неорганическую органическую и элементоорганическую химии Объектом... Химия является общетеоретической дисциплиной Она призвана дать современное научное представление о веществе как одном...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Модель атома.
1.Первая модель М.П. Морозова была разработана в 1860 г. – атом некий кристалл в узлах находятся электроны, в середине сосредоточен «+» заряд. 2.Э. Резерф

Вопрос 3. Квантово-механическое представление о строении атома. Квантовые числа и их физический смысл.
Волновая механика описывает движение ℮ в атоме как распространение волны по всему объему атома. Каждое мгновение ℮ может находиться в любой части пространства вокруг ядра. Область прост

Вопрос 4. Распределение электронов в многоэлектронном атоме. Принцип Паули. Правило Гунда. Порядок заполнения электронных подуровней.
Распределения электронов в многоэлектронных атомах основано на трех положениях: принципе минимума энергии, принципе В. Паули, и правиле В. Хунда Принцип минимума энергии:э

Вопрос 7. Обменный и донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи.
Механизм возникновения ковалентных связей путем обобществления неспаренных электронов двух атомов получил название обменного механизма. Образование ковалентной связи может происход

Вопрос 9.Методы молекулярных орбиталей (ММО) и валентных связей(МВС). Сравнительная характеристика ММО и МВС.
ММО- химическая связь рассматривается как многоэлектронная и многоцентровая. В молекуле образуется собственная система молекулярных орбиталей, на которых находятся все электроны данной молекулы.

Вопрос 11. Водородная связь и межмолекулярное взаимодействие.
Водородная связь.возникает между положительно поляризованным атомом водорода и отрицательно поляризованным атомом с большой электроотрицательностью. Положительно поляризо

Вопрос 13. Химичёская термодинамика, термодинамические параметры (Т, р, V). Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики.
Химическая термодинамикаизучает переходы химической энергии в другие формы - тепловую, электрическую и т. п., устанавливает количественные законы этих переходов, а также направлен

Вопрос 14. Энтальпия образования вещества. Закон Гесса и его применение.
Стандартная энтальпия образования вещества- это тепловой эффект образования одного моля сложного вещества из простых веществ устойчивых при стандартных условиях и данной температуре.

Физический смысл энергии Гиббса
Изменение свободной энергии равно максимально полезной работе, которую совершает система в изобарно-изотермическом процессе. По энергии Гиббса мы можем определить самопроизвольность протек

Вопрос 18. Влиятние температуры на скорость химической реакции. Правило Вант-Гоффа. Энергия активации. Уравнение Аррениуса.
Повышение температуры ускоряет большинство химических реакций. Согласно правилу Вант-Гоффа при повышении температуры на 10 К скорость многих реакций увеличивается в 2-4

Вопрос19. Гомогенный и гетерогенный катализ. Катализаторы и ингибиторы
Катализ-химическое явление,суть которого заключается в изменении скоростей хим.реакций при воздействии некоторых в-в. (бывает неорганический:автокатализ,гетерогенный и гомогенн

Вопрос 20.Химическое равновесие. Смещение хим.равновесия при изменении условий протекания хим.процессов. Принцип Ле-Шателье.
Химическое равновесие-неизменное во времени состояние сис-мы,содержащая в-ва способные к хим.взаимодействию = Константа равновесия ()- это отношение произведен

Вопрос 21. Растворы. Свойства растворов
Растворы –это гомогенная система переменного состава, состоящая из двух или более компонентов. Растворы могут быть жидкими (морская вода), газообразными (воздух) и твердыми (сплавы

Вопрос 22. Способы выражения концентраций растворов
Концентрация-кол-во растворенного в-ва в определенном объеме раствора или растворителя. Процентрая концентрация или массовая доля, -отношение массы врастворенного в-ва к мас

Законы растворов- это и есть законы Рауля!
Первый закон Рауля: Величина относительного понижения давления пара над раствором по сравнению с чистым растворителем пропорционально концентрации растворенного вещества ∆Р=(Р

Вопрос 24. Закон Рауля. Осмос. Физический смысл эбуллиоскопической и криоскопической постоянной.
Закон Рауля: Величина относительного понижения давления пара над раствором по сравнению с чистым растворителем пропорционально концентрации растворенного вещества ∆Р=(Р0-Р)/Р0

Вопрос 25. Растворы электролитов. Электролитическая диссоциация. Степень диссоциации. Константа диссоциации.
Электролиты – это вещества, которые проводят эл. ток если они находятся в растворенном или расплавленном состояниях. Носителями электричества в растворе являются анионы(-), катионы

Вопрос 27 Ионное произведение воды. Водородный показатель (рН) растворов.
H2O ↔ H+ + OH¯. Кд = =1.8 · 10-16 =55,56 моль Ионное произведение воды: Водородным

Вопрос 29.Гидролиз солей. Константа гидролиза. Степень гидролиза.
Солями называются электролиты, при диссоциации кот образуются катионы металлов и анионы кислотных остатков. Гидролизом солей называют реакции обмена межу водой и растворенным

Вопрос 30. Дисперсные системы. Коллоидные растворы, свойства.
Дисперсные системы –гетерогенная система, состоящая из 2 или более фаз с сильноразвитой поверхностью раздела между ними. Вещество, которое в дисперсионной системе образует

Коллоидные растворы.
Частицы дисп.фазы кол.растворов наз-т кол-ми частицами. Коллоидные частицы несут на себе заряд, что обуславливает притяжение к ним диполей воды. На поверхности частицы созд-ся гидратная оболочка. С

Вопрос 31. Строение мицеллы коллоидов. Оптические и электрические свойства коллоидных растворов.
Мицеллы-частицы в коллоидных системах,состоящие из нерастворимого в данной среде ядра очень малого размера,окруженного очень малой оболочкой адсорбированных ионов и молекул растворите

Вопрос 33. Электродный потенциал. Старндартный электродный понетциал.Водородный потенциал.Уравнение Нернста.
Электрод-любой тонкопроводящий материал,погруженный в раствор электролита. При установлении равенства между металлом и раствором возникает разность потенциалов, которая наз-с

Водородный потенциал???
Уравнение Ненста-уравненик,связывающее окислит-восстановит потенциал сис-мы с активностями в-в,входящих в электрохим.ур-е,и стандартным электродным потенциалом окислит-восстано.пар.OX+ne

Вопрос 34. Гальванический элемент: устройства, протекающие процессы на аноде и катоде. ЭДС и энергия Гиббса гальванического элемента
Гальванический элемент-совокупность последовательно соединенных проводников,из которых хотя бы один явл-ся проводником второго рода,т.е. электролитом. Гальванический элеме

Вопрос 35. Электролиз. Законы Фарадея. Электрохимический эквивалент. Выход по току.
Электролиз – ОВ процесс, протекающий при прохождении тока через раствор или расплав электролита. При электролизе происходит превращение эл. энергии в химическую.

Вопрос 37. Поляризация, ее причины. Перенапряжение.
Равновесные потенциалы электродов могут быть определены в условиях отсутствия в цепи тока. При прохождении электрического тока потенциалы электродов изменяются. Изменение потенциала электрода при

Ковалентная связь осуществляется обобществленными валентными электронами, находящимися на общей для двух соседних атомов связывающей орбитали (см. разд. 2.2.1). При этом в случае элементарных веществ каждый из атомов «отдает» на связь одинаковое число валентных электронов и достраивает свою валентную оболочку до полностью заполненной за счет связывающих электронов ближайших соседних атомов в решетке. С этим свойством насыщаемости ковалентной связи мы познакомились на примере молекулы водорода. Его следствием является правило, установленное Юм-Розери. Согласно ему для кристаллов элементарных веществ, в которых реализуется преимущественно ковалентная связь, выполняется следующее соотношение между координационным числом Z к и номером группы N , где расположен данный элемент:

Z к = 8 − N . Структура элементарных полупроводников (преимущественная связь - ковалентная) задается этим простым эмпирическим правилом и направлением ковалентной связи.

Направление ковалентной связи определяется распределением электронной плотности в кристалле, которое можно установить с помощью, например, рентгеновских данных. Они свидетельствуют, что в кристаллах с ковалентной связью электронная плотность валентных электронов существенно неравномерно распределена в пространстве. В направлениях, являющихся кратчайшими для двух соседних атомов, электронная плотность выше, чем в других направлениях. Это означает, что валентные электроны как бы локализованы в пространстве и образуют «электронные мостики», то есть ковалентная связь имеет резко выраженный направленный характер . Характер распределения электронной плотности при образовании ковалентной связи зависит от конкретной электронной структуры взаимодействующих атомов.

Так как ковалентная химическая связь в отличие от других типов химической связи имеет локализованный характер, то она определяется не только энергией связи, но имеет и геометрические характеристики. Геометрическими характеристиками ковалентной связи являются ее длина и углы между связями в молекуле или кристалле. Длиной ковалентной

химической связи называется расстояние между ядрами атомов, объединенных ковалентной связью, в кристалле. Она зависит от размеров взаимодействующих атомов и степени перекрытия их электронных облаков. Длину связи и углы между связями определяют экспериментально с помощью методов молекулярной спектроскопии, дифракции рентгеновских лучей и другими методами.

Свойство направленности ковалентной связи рассмотрим на примере образования химической связи в алмазе.9 При этом будем руководствоваться правилами, составляющими содержание теории направленных валентностей.

1. Ковалентная единичная связь образуется при взаимодействии двух электронов с противоположными спинами, принадлежащих разным атомам.

2. Направление ковалентной связи должно отвечать направлению, в котором орбитали данного валентного электрона в максимальной степени перекрывается орбиталями другого спаренного с ним валентного электрона, принадлежащего соседнему атому.

Следует иметь в виду, что в ряде случаев форма орбиталей валентных электронов, участвующих в образовании связи, изменяется незначительно, а в ряде случаев происходит ее резкое изменение. В последнем случае возникают смешанные, так называемые гибридные орбитали .

В алмазе, состоящем из атомов углерода, как хорошо известно, реализуется ковалентная химическая связь. Электронная конфигурация валентной оболочки атома углерода в невозбужденном состоянии - 2s 22p 2. На 1s -орбитали и на 2s -орбитали находятся по два спаренных электрона, спины которых антипараллельны. Валентными оказываются две 2p -орбитали, на которых располагается по одному электрону, способному принимать участие в образовании химической связи. Эти 2p -орбитали

образуют между собой угол в 90◦. Таким образом, углерод в своих соединениях должен быть двухвалентным и формировать связи, между которыми прямой угол.

Однако, как показывают экспериментальные данные, в большинстве своих соединений углерод четырехвалентен и все четыре связи углерода одинаково прочны и имеют одинаковую ориентацию относительно друг

друга: угол между связями равен 109◦28∗. Это обстоятельство объясняется гибридизацией орбиталей, происходящей в два этапа. Сначала атом углерода переходит из основного состояния в возбужденное, при котором один из электронов с заполненной 2s 2-орбитали переходит на

9 Ковалентная связь в молекуле водорода не обладает свойством направленности из-за сферически симметричного распределения электронной плотности в s -состояниях.

Рис. 2.10. Схема гибридизации s и p -электронных облаков и пространственная ориентация sp 3 -гибридов.

пустую 2p -орбиталь. Далее происходит «перемешивание» четырех волновых функций и образование четырех новых одинаковых волновых функций, которые не являются ни s -, ни p -функциями. Это - гибридные sp 3-функции. Они эквивалентны и имеют ориентацию, показанную на рис. 2.10. Таким образом, в результирующем состоянии атом углерода в алмазе имеет четыре неспаренных электрона. Направления максимальной плотности обменных облаков, как видно из рис. 2.12, сосредоточены вдоль пространственных диагоналей куба <111>. Атом с четырьмя соседями образует правильный тетраэдр, а из совокупности тетраэдров строится «бесконечная ковалентная молекула».

Прочность химической связи зависит от степени перекрытия орбиталей валентных электронов: чем больше перекрытие, тем прочнее связь. Расчеты показывают, что перекрытие электронных оболочек соединяющихся атомов в случае гибридных sp 3-орбиталей оказывается существенно больше, чем в случае негибридных s и p -орбиталей. Хотя гибридизованным состояниям соответствует более высокая энергия электронов в атоме, чем негибридизованным, тем не менее полная энергия кристалла оказывается ниже в случае образования связи из sp 3-гибридов, поэтому гибридизация и оказывается энергетически выгодной.

В образовании ковалентной связи могут принимать участие s -, p -, d и f -орбитали. Если происходит гибридизация при образовании связи, то в зависимости от того, сколько и каких орбит гибридизуется, различают sp -, sp 2-, dsp 2-, sp 3и d 2sp 3-гибридные орбитали (рис. 2.11).

Таким образом, структура ковалентных кристаллов определяется правилом Юм-Розери, дающим число ближайших соседей, необходимых для полного насыщения химической связи, и направлением химической связи, которое может быть установлено из анализа волновых функций ва

Рис. 2.11. Пространственная ориентация sp -, sp 2 -, dsp 2 -, sp 3 и d 2 sp 3-гибридных орбиталей.

лентных электронов или экспериментально. Характерная величина энергии ковалентной связи составляет величину порядка 5–7 эВ. В полупроводниковых материалах прослеживаются следующие общие закономерности в изменении свойств при изменении энергии связи. С увеличением энергии связи между атомами уменьшается период кристаллической решетки, возрастают температура плавления и ширина запрещенной зоны.

Наиболее характерные свойства простых кристаллов, в которых реализуется преимущественно один из четырех типов химической связи, приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Свойства четырех групп твердых тел, отличающихся типами межатомных связей.

Тип межатомной связи

Характеристика и энергия связи

Ненаправленная и ненасыщенная, сильная связь; 5–7 эВ на пару ионов.

Направленная

и насыщенная, сильная связь; 5–7 эВ на атом.

Ненаправленная и ненасыщенная связь; около

3.5 эВ на атом.

Ненаправленная и ненасыщенная, слабая, короткодействующая

связь; ≈0.1 эВ на

Ионная Ковалентная Металлическая Ван-дер-Ваальсова

Структурные свойства

Крупные анионы образуют структуры с плотной упаковкой, в пустотах которых размещены катионы (Z к = 8, 6, 4 и 3).

Структуры с неплотной упаковкой решетки (например, Z к = 4) и низкой плотностью.

Z к = 12 и 8) и высокой плотностью.

Компактные кристаллические структуры с плотнейшей упаковкой (Z к = 12) и высокой плотностью.

Тепловые свойства

Довольно высокие температуры плавления. Низкий коэффициент расширения.

Высокие температуры плавления. Низкий коэффициент расширения.

Различные температуры плавления.

Низкие температуры плавления. Высокий коэффициент расширения.

Электрические свойства

Изоляторы. Проводимость носит в основном ионный характер и увеличивается с ростом температуры.

Электронный тип проводимости (два типа носителей). Активационная зависимость проводимости от температуры.

Проводники. Основной тип проводимости - электронный. Проводимость с ростом температуры уменьшается.

Изоляторы.

Оптические свойства

Прозрачны для электромагнитного излучения от низких частот до края поглощения. Обычно прозрачны в видимой области спектра.

Прозрачны для электромагнитное излучения от низких частот до края поглощения.

Непрозрачны для электромагнитных волн от самых низких частот вплоть до середины ультрафиолетовой области; хорошо отражают свет.

Прозрачны для электромагнитного излучения от низких частот до дальней ультрафиолетовой области.

Ионная Ковалентная Металлическая Ван-дер-Ваальсова

Зонная структура

зона отделена

от следующей пустой зоны проводимости широкой запрещенной зоной (Eg > 2–3 эВ).

Полностью заполненная верхняя валентная

зона отделена

от следующей пустой зоны проводимости запрещенной зоной Eg < 2–3 эВ.

Зона проводимости частично заполнена.

Полностью заполненная верхняя валентная

зона отделена

от следующей пустой зоны проводимости очень широкой запрещенной зоной.

1. Пространственная направленность . Если электронные облака перекрываются в направлении прямой, которая соединяет ядра атомов, такая связь называется s-связью (s–s-перекрывание Н 2 , р–рCl 2 , s–рHC1).

При перекрывании p-орбиталей, направленных перпендикулярно оси связи, образуются две области перекрывания по обе стороны оси связи. Такая ковалентная связь называется p-связью. Например, в молекуле азота атомы связаны одной s-связью и двумя p-связями.

Направленность связи определяет пространственную структуру молекул, т. е. их форму и характеризуется наличием строго определенного угла между связями. Например, угол между s-связями в молекуле воды равен 104,5°.

2. Полярность связи определяется асимметрией в распределении общего электронного облака вдоль оси связи.

Если общие электронные пары располагаются симметрично относительно обоих ядер, то такая ковалентная связь называется неполярной.

Если общие электронные пары смещаются к одному из атомов (располагаются несимметрично относительно ядер различных атомов), то такая ковалентная связь называется полярной.

В случае, когда электронная пара смещается в сторону более электроотрицательного атома центры (+) и (–) зарядов не совпадают, и возникает система (электрический диполь) из двух равных по величине, но противоположных по знаку зарядов, расстояние между которыми (l ) называют длиной диполя. Мерой полярности молекул является электрический момент диполя m, равный произведению абсолютного значения заряда электрона
(q = 1,6 × 10 –19 Кл) на длину диполя l :

m = q×l .

Единицей измерения m является дебай D, 1 D = 3,33×10 –30 Кл×м.

Задание. Длина диполя молекулы HCl равна 2,2×10 –9 см. Вычислить электрический момент диполя.

2,2×10 –9 см = 2,2×10 –11 м

m = 1,6 × 10 –19 ×2,2×10 –11 = 3,52×10 –30 Кл×м = 3,52×10 –30 /3,33×10 –30 = 1,06 D.

3. Кратность ковалентной связи определяется числом общих электронных пар, которые связывают атомы. Связь между двумя атомами при помощи одной пары электронов называется простой (связи Н – С1, С – Н, Н – О и т. д.). Связь при помощи двух электронных пар называется двойной (этилен Н 2 С = СН 2), при помощи трех электронных пар – тройной (азот N N, ацетилен Н – С С – Н).

4. Длина связи – это равновесное расстояние между ядрами атомов. Длину связи выражают в нанометрах (нм). 1 нм = 10 –9 м. Чем меньше длина связи, тем прочнее химическая связь.

5. Энергия связи равна работе, которую необходимо затратить на разрыв связи. Выражают энергию связи в килоджоулях на моль (кДж/моль). Энергия связи увеличивается с уменьшением длины связи и с увеличением кратности связи. Процесс образования связи протекает с выделением энергии (экзотермический процесс), а процесс разрыва связи – с поглощением энергии (эндотермический процесс).

Гибридизация

Гибридизация – выравнивание орбиталей по форме и энергии.

Sp-гибридизация

Рассмотрим на примере гидрида бериллия ВеН 2 . Электронное строение атома Ве в нормальном состоянии 1s 2 2s 2 . Атом бериллия может вступать во взаимодействие с атомами водородом только в возбужденном состоянии (s ® р-переход).

Ве – 1s 2 2s 1 2p 1

Две образующиеся связи должны быть различны по энергии, так как возникновение одной связано с перекрыванием двух s-орбиталей, вто-
рой – s- и p-орбиталей. Тогда и атомы водорода в молекуле должны быть химически неравноценны: один более подвижен и реакционноспособен, чем другой. Экспериментально это не так – оба атома водорода энергетически равноценны. Для объяснения этого явления Дж.К. Слейтер и Л. Полинг предположили, что «при интерпретации и расчете углов между связями и длины связи целесообразно близкие по энергии связи заменить равным количеством энергетически равноценных связей». Возникающие подобным образом связи являются гибридными.

Таким образом, одна s- и одна р-орбиталь атома бериллия заменяются двумя энергетически равноценными sp-орбиталями, располагающимися под углом 180 о друг к друг, т.е. молекула имеет линейное строение.

sp 2 -гибридизация

Рассмотрим на примере молекулы гидрида бора ВН 3 . Электронное строение атома бора в нормальном состоянии следующее В – 1s 2 2s 2 2p 1 . Он может образовать только одну ковалентную связь. Три же ковалентные связи для атома бора характерны только в возбужденном состоянии В* – 1s 2 2s 1 2p 2

Одна связь, образованная при перекрывании двух s-орбиталей атомов В и Н, энергетически не отличается от двух других, образуемых перекрыванием s- и р-орбиталей. Три sp 2 -гибридные орбитали расположенные под углом 120 о друг к другу, молекула имеет плоское строение. Подобная картина характерна для любых четырехатомных молекул, образованных за счет трех sp 2 -гибридных связей, например, для хлорида бора (BCl 3).

sp 3 -гибридизация

Рассмотрим на примере метана СН 4 . В нормальном состоянии атом углерода с электронным строением 1s 2 2s 2 2p 2 может дать только две ковалентные связи. В возбужденном состоянии он способен быть четырехвалентным с электронным строением 1s 2 2s 1 2р 3 .

Гибридными становятся одна s- и три р-орбитали атома углерода, при этом образуются четыре sp 3 -гибридные, энергетически равноценные орбитали. Молекула метана приобретает тетраэдрическое строение. В центре тетраэдра, все вершины которого геометрически равноценны, находится атом углерода, а в его вершинах атомы водорода. Угол между связями составляет 109 о 28¢.

Силы взаимодействия между молекулами называют ван-дер-ваальсовыми или межмолекулярными. Это взаимодействие обусловлено электростатическим притяжением между отдельными молекулами и характеризуется следующими особенностями:

Действует на сравнительно больших расстояниях, существенно превосходящих размеры самих молекул;

Характеризуется малой энергией, поэтому существенно ослабевает с повышением температуры;

Является ненасыщающимся, т. е. взаимодействие данной молекулы со второй не исключает подобного эффекта по отношению к третьей, четвертой и т. д.

С ростом относительных молярных масс силы межмолекулярного взаимодействия возрастают и, как следствие, повышаются температуры плавления и кипения веществ.

Задание . Вычислить разность электроотрицательностей атомов ΔЭО для связей O–H и О–Мg в соединении Мg(ОН) 2 и определить какая из этих связей более полярна. ЭО(Н) = 2,1 эВ, ЭО(О) = 3,5 эВ, ЭО(Mg) = 1,2 эВ.

Решение:

ΔЭО(O–H) = 3,5 – 2,1 = 1,4; ΔЭО(O–Mg) = 3,5 – 1,2 = 2,3.

Таким образом, связь Mg–О более полярна.

При образовании соединений из элементов, очень отличающихся по электроотрицательности (типичных металлов и типичных неметаллов), общие электронные пары полностью смещаются к более электроотрицательному атому. Например, при горении натрия в хлоре неспаренный 3s-электрон атома натрия спаривается с 3p-электроном атома хлора. Общая электронная пара полностью смещается к атому хлора (Δχ(Cl) = 2,83 эВ, Δχ(Cl) = 0,93 эВ). Чтобы ионная связь возникла необходимо:

1. Наличие атома с четко выраженной тенденцией к отдаче электрона с образованием положительно заряженного иона (катиона), т.е. с малой ЭИ. Потенциал ионизации – энергия, которую необходимо затратить для удаления 1-го электрона с внешней орбитали. Чем меньше потенциал ионизации, тем легче атом теряет электроны, тем сильнее выражены у элемента металлические свойства. Потенциал ионизации растет в пределах периода слева направо, уменьшается сверху вниз.

Процесс отдачи электронов называется окислением.

2. Наличие атома с четко выраженной тенденцией к присоединению электрона с образованием отрицательно заряженных ионов (анионов), т.е. с большим СЭ. Процесс присоединения электронов называется восстановлением.

Cl + e ® Cl –

Типичные ионные соединения образуются при соединении атомов металлов главных подгрупп I и II групп с атомами неметаллов главной подгруппы VII группы (NaCl, KF, СаС1 2).

Между ионной и ковалентной связью нет резкой границы. В газовой фазе вещества характеризуются чисто ковалентной полярной связью, но эти же вещества в твердом состоянии характеризуются ионной связью.