2. Общее понятие о ковалентной связи (Самостоятельно)

Ковалентная связь образуется за счет общих электронных пар, возникающих в электронных оболочках связываемых атомов. Поскольку ковалентно связанные атомы не несут на себе ионных зарядов, ковалентную связь еще называют гомеополярной или неполярной.

Ковалентная связь может быть образована атомами одного и того же элемента и тогда она неполярная; например, такая ковалентная связь существует в молекулах одноэлементных газов Н₂ О₂, N₂, С1₂ и др. Ковалентная связь может быть образована атомами разных элементов, сходных по химическому характеру, и тогда она полярная; например, такая ковалентная связь существует в молекулах Н₂О, РF₃, СS₂. Неполярную ковалентную связь еще называют чисто ковалентной.

Ковалентные связи обычно формируются между атомами элементов, обладающих электроотрицательным характером, т. е. между атомами неметаллических элементов, хотя известны ковалентные связи в молекулах, состоящих из атомов электроположительных элементов, таких как Li₂ (обычно эти молекулы очень слабые и малоустойчивые).

Для наглядного изображения ковалентной связи в химических формулах используются точки (каждая точка отвечает валентному электрону), а также черта (каждая черта отвечает общей электронной паре).

П р и м е р. Связи в молекуле С1₂ можно изобразить так:

: С1 : С1 :, : С1— С1 : или С1— С1

Такие записи электронных формул равнозначны.

Ковалентные связи обладают пространственной направленностью. В результате ковалентного связывания атомов образуются либо молекулы, либо атомные кристаллические решетки со строго определенным геометрическим расположением атомов. Каждому веществу соответствует своя структура.

С позиций теорий Бора формирование ковалентной связи объясняется следующим образом. Атомам свойственна тенденция преобразовывать свой внешний слой электронной оболочки в октет, т. е. в конфигурацию ближайшего благородного газа. Оба атома – партнера по связи представляют для образования ковалентной связи по одному неспаренному электрону, т. е. занимающему атомную орбиту, и оба электрона становятся общими для этих атомов.

Например: Атомы хлора, каждый из которых на внешнем энергетическом уровне имеет семь электронов — три пары и один неспаренных электрон, создают (каждый для себя) октет валентных электронов путем образования одной ковалентной связи:

Новая электронная пара, возникшая из двух неспаренных электронов, становится общей для двух атомов хлора.

Несмотря на очевидную наглядность электронных формул, в рамках модельных представлений теории Бора невозможно указать, по каким орбитам движутся электроны общей пары. Они не могут уже находиться на атомных орбитах (каждая из которых относится лишь к одному атомному ядру). Поэтому теория. Бора (недостаточная и для объяснения строения несвязанного атома) оказалась несостоятельной и в объяснении механизма образования ковалентной связи. Эти трудности устраняет квантово-механическая, орбитальная модель атома.

6. Ковалентные связи с участием атома углерода (самостоятельно)

Существование большого числа органических соединений в значительной степени обусловлено двумя особыми свойствами атома углерода. Каждый атом углерода может образовывать четыре ковалентных связи и принимать участие в формировании четырех общих электронных пар. Кроме того, атом углерода имеет склонность (более всех других элементов) образовывать гомоядерные связи, давая так называемые углеродные цепи.

В основном состоянии атом углерода С(2s²2р²) имеет два неспаренных электрона, за счет которых может образовывать только две общие электронные пары. Чтобы иметь возможность принять участие в образовании четырех общих электронных пар, атом углерода должен располагать четырьмя неспаренными электронами. Это достигается переходом атома углерода в возбужденное состояние (С*) при переносе одного 2s-электрона на 2р-подуровень рис 6.0.

Рис. 6.0

В возбужденное состояние атом углерода переходит при подводе энергии, называемой энергией возбуждения (эта затрата окупается затем энергией образования связей). После возбуждения 2s- и 2р-АО углерода гибридизуются тремя различными способами: sр³-гибридизация (тетраэдрическое расположение осей четырех гибридных АО); sр²-гибридизация (тригональное расположение осей трех гибридных АО); sp-гибридизация (линейное расположение осей двух гиб ридных АО) рис. 6.1.

Рис. 6.1

При sр²- и sp-гибридизации только три или две АО углерода участвуют в образовании -связей. Оставшиеся АО углерода (и электроны в них) имеют возможность формировать -составляющие многократных связей углерод—углерод.

Правильность этой модели образования четырех ковалентных связей подтверждается не только составом и геометрической формой молекул соединений углерода, но и четырехвалентным состоянием атома углерода в образуемых им простых веществах.

Рис. 6.2

П р и м е р ы:

1. В молекуле метана СН₄ атом углерода (sp³-ги6ридиэация) находится в тетраэдрическом окружении четырех атомов водорода (рис. 6.2а); в ней формируются четыре -связи углерод — водород. Метан — это простейшее из органических соединений углерода, он не содержит связей углерод—углерод.

2. В молекуле этана С₂Н₈ атом углерода (sр³-гибридизация) так же, как и в молекуле метана СН₄, находится в тетраэдрическом окружении, но образует два химически разных вида связей — три -связи С—Н и одну -связь С—С (рис. 6.2б).

3. В молекуле этилена С₂Н₄ атом углерода (sр²-гибридизация) находится в тригональном (треугольном) окружении, и образует две -связи С—Н и одну , -связь СС (рис. 6.3а). Разделение двойной связи на - и -составляющие условно, хотя вклад -составляющей в общую энергию двойной связи (см. ниже) считается более высоким, чем вклад -составляющей.

4. В молекуле ацетилена С₂Н₂ атом углерода (sp-гибридизация) находится в линейном окружении и образует одну -связь С — Н и одну , , -связь С С (рис. 6.3б).

Энергия одинарной, двойной и тройной связей углерод — углерод в органических соединениях имеет значения 346, 602 и 835 кДж/моль соответственно,

А Б

Рис. 6.3 Образование двойной связи углерод – углерод в молекуле этилена А; Образование тройной связи углерод — углерод в молекуле ацетилена Б.

Для органических соединений, которые обладают только одинарными --связями углерод—углерод, например метана и этана, характерны реакции замещения. К реакциям присоединения без разрыва связи С—С (в этане и других гомологах метана) такие вещества не способны.

Для органических соединений, которые содержат двойные (-,-) и тройные (-, , -) связи углерод—углерод, например этилена и ацетилена, характерны реакции присоединения по месту разрыва -составляющих кратных связей (-составляющая как более устойчивая, три этом сохраняется. Реакции замещения для этих веществ также возможны.

В органических соединениях углерод может находится также в особом состоянии, называемом ароматическим состоянием. Это совершенно особый вид связывания атомов углерода в плоские циклы (замкнутые цепи), в которых все атомы цикла участвуют в образовании единой -электронной системы.

Простейшее ароматическое соединение — бензол содержит шесть атомов углерода, связанных друг с другом в цикл (бензольное кольцо). Каждый атом углерода находится в в sp²-гибридизации, поскольку имеет три связанных с ним партнера — атом Н и два других атома С, образуются три -связи — одна С—Н и две С—С. У каждого атома углерода в sр²-гибридизации имеется еще одна, негибридная 2р-орбиталь с неспаренным электроном, которая может образовать -связь. Ось такой p-орбитали расположена перпендикулярно плоскости осей орбиталей, формирующих -связи. В отличие от молекулы этилена, при образовании которой -связи формируются между двумя атомами углерода, в молекуле бензола все шесть 2р-орбиталей комбинируются вместе, образуя общую для них связывающую молекулярную -орбиталь, а шесть электронов объединяются в -электронный секстет. Граничная поверхность такой орбитали (поровну над и под плоскостью -связей) показана на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Образование в молекуле бензола двухцентовых -связей (а) и многоцентровых -связей (б)

Метод молекулярных орбиталей всегда рассматривает образование связей как обобществление электронов в объеме пространства, включающем все ядра атомов данной молекулы. Особенно это верно для образования многоцентровых -связей. В молекуле бензола образуется шестичленная молекулярная -система, определяющая свойства всех ароматических соединений.

Плотность -электронов молекулы С₆Н₆ делокализована по всем шести ядрам атомов углерода, т. е. по всей молекуле. Образование многоцентровых МО также особенно выгодно в энергетическом отношении, что придает устойчивость всей системе.

Для бензольного кольца характерны реакции замещения. При этом ароматическая система остается неизменной. В реакциях присоединения -электронный секстет разрушается, из-за чего каждый электрон становится способным к образованию дополнительной -связи, что выше уже отмечалось для этилена и ацетилена.