4. Теория химической связи

Атомы являются простыми частицами, не существующими самостоятельно.

Атомы объединяются в более сложные частицы:

• молекулы(С₃, Н₈, О₃),

• радикалы (С₂Н₅^-),

• ионы (NН₄⁺).

Те силы и механизмы, которые заставляют атомы объединяться в сложные частицы, называют химической связью. От типа химической связи зависит основные свойства вещества.

Электропроводность:

Сu	NaCl	C12H22O11
в любом виде проводит ток	в жидком виде проводит ток	не проводит ток

4.1 Ионная связь

Ионная связь объясняется следующим образом: атом - типичный металл - теряет свой валентный электрон, превращаясь в катион.

Атом – типичный неметалл - принимает электрон, превращаясь в анион.

Na⁰ – = Na⁺ (катион) Cl⁰ + = Cl^-- (анион)

Ионная связь является максимально полярной. Она образуется атомами тех элементов, которые имеют максимально различные электроотрицательности, т. е. ионная связь образуется щелочными и щелочно-земельными металлами и галогенами:

KF; CaCl₂; NaI.

Ионная связь имеет два основных свойства:

• ненаправленность,

• ненасыщаемость.

Эти два свойства тесно связанны между собой.

Два иона: катион и анион полностью не могут компенсировать силовые поля друг друга, поэтому для компенсации своих зарядов каждый ион вынуждает притягивать из пространства дополнительные ионы противоположного знака.

В этом заключается ненасыщаемость.

Так как электрическое поле иона имеет сферический характер, то для ионной связи характерна ненаправленность.

Благодаря тому, что энергия ионизации больше энергии сродства к электрону, полного перехода электронов не происходит даже в случае атомов с очень большой разностью электроотрицательности. Таким образом, соединений с чисто ионной связью не существует. Можно говорить лишь о доле ионной связи.

В силу особенностей ионной связи, т.е. её полярности, ненаправленности и ненасыщаемости, молекулы с ионной связью являются достаточно относительным понятием.

В водных растворах и расплавах ионные молекулы полностью диссоциированы на ионы:

AB=A⁺+B^-.

Двух- и трёхионных соединений не существует, а весь кристалл ионного соединения можно рассматривать как молекулу, состоящую из огромного числа ионов:

A_mB_n .

4.2 Ковалентная связь

Ковалентная связь является наиболее универсальной в том плане, что ей подчиняется подавляющее большинство веществ как органических, так и неорганических.

Суть ковалентной связи по методу валентных связей (ВС) заключается в том, что атомы, объединяя свои неспаренные валентные электроны с антипараллельными спинами в общую электронную пару, образуют более сложную частицу.

.

 

Электронную пару по методу ВС обозначают двумя точками или чёрточкой - валентным штрихом.

Ковалентная связь имеет пять основных свойств:

1. Энергия связи – выделенная атомами потенциальная энергия при образовании ими более сложных частиц.

При сближении двух атомов водорода максимально выделяется 435 кДж/моль. Это и является энергией молекулы водорода. Такой энергии соответствует максимально прочная молекула водорода. Энергия ковалентной связи лежит в пределах 150 ÷ 1000 кДж/моль. Чем выше энергия, тем прочнее частица.

= 150 кДж/моль = 435 кДж/моль = 970 кДж/моль.

2. Длина связи – расстояние между центрами двух атомов, которое соответствует максимально потерянной потенциальной энергии, и сложная частица является наиболее прочной. Таким образом, длина связи тесно связана с энергией.

Для атома водорода длина связи составляет 0,74 .

Это означает, что два атома Н₂ не просто соприкасаются, а частично перекрывают друг друга.

Область перекрытия показывает место нахождения общей электронной пары и называется областью повышенной электрической плотности.

3. Полярность

Ковалентные частицы могут быть полярными и неполярными. Полярная ковалентная связь возникает в том случае, если частица образованна атомами с различными электроотрицательностями.

	+1 -1
HF
ЭО (Н) = 2,1	+1 -1
ЭО (F) = 4	H : F

В молекуле возникают два поля – диполи (+ ; -), между которыми есть какое-то расстояние. Диполь определяется дипольным моментом, который равен заряду электрона, умноженному на дипольное расстояние

μ = е • l

Размерность дипольного момента Кулон/метр (Кл/м).

Чем больше разница между электроотрицательностью элементов, тем больше дипольный момент сложной частицы, т.е. тем полярней диполь.

Неполярная ковалентная связь возникает в том случае, если частица образуется атомами с одинаковой электроотрицательностью.

В ковалентных неполярных частицах общая электронная пара принадлежит одинаково ядрам обоих атомов.

расстояние между "+" и "–" равно нулю.

Дипольный момент тоже равен нулю.

Полярность связи и полярность частиц не всегда совпадают между собой.

Полярность – векторная величина. Вектор всегда направлен от менее электроотрицательных элементов к более электроотрицательным элементам.

В молекуле СО₂ два вектора, равные по величине, но противоположные по направлению, компенсируют друг друга, и молекула оказывается неполярной при полярной связи.

 

4. Насыщаемость ковалентной связи заключается в том, что все неспаренные валентные электроны обязаны участвовать в образовании сложных частиц.

Электроны обладают способностью самопроизвольно перераспределяться по подуровням в пределах одного энергетического уровня (без изменения главного квантового числа).

 

Из четырёх валентных электронов неспаренными являются два и валентность углерода в данном случае равна двум.

Теперь все четыре валентных электрона распарены, и валентность углерода равна четырем

5. Направлентность ковалентной связи заключается в том, что ковалентные частицы имеют определённую пространственную конфигурацию.

Пространственная конфигурация отдельной частицы определяется количеством σ – связей и их взаимным расположением в пространстве.

σ- связями называются связи, у которых область повышенной электрической плотности располагается на линии, связывающей ядра двух атомов.

σ – связь - это первичная связь. Она является прочной и трудно разрывается.

π – связью называется та связь, при которой обе повышенные электрические плотности располагаются выше и ниже линии, связывающей ядра двух атомов.

π – связь всегда вторична и менее прочна, чем σ – связь.

При образовании молекулы водорода перекрываются 2S – облака, и образуется одна σ – связь.

Возникает линейная молекула с нулевым валентным углом.

Такие же частицы, т.е. линейные с нулевым валентным углом, образуются при перекрывании двух р_х – облаков, при образовании, например, молекул хлора или фтора.

Такие же частицы образуются при перекрывании S- и p-облаков (например, HCl).

Рассмотрим элемент шестой группы таблицы Менделеева - кислород.

.

Кислород является центральным атомом в молекуле воды.

Из шести валентных электронов атомов кислорода - два неспаренных. в пространстве возникают две σ–связи, расположенные друг к другу под теоретическим углом 90°.

В молекуле воды угол равен 105°, но это вызывается дополнительными причинами.

Азот, элемент пятой группы таблицы, имеет следующее валентное окончание:

.

Атом азота имеет три неспаренных электрона, которые участвовуют в образовании частиц, например, NH₃.

Три σ – связи, расположенные под углом 90° по отношению друг к другу, приводят к образованию молекулы, имеющей форму треугольной пирамиды с валентными углами 90°.

Углерод, элемент четвёртой группы таблицы, в возбуждённом состоянии имеет четыре неспаренных электрона и проявляет валентность, равную четырём

.

Электроны, находящиеся в S- и в p-состояниях, не равноценны между собой, так как имеют разную конфигурацию и различный запас потенциальной энергии. Чтобы образовать равноценные связи, эти электроны должны гибридизироваться.