3. Химическая связь.

Химическая связь – это совокупность сил, связывающих атомы или молекулы друг с другом в новые устойчивые структуры. С точки зрения квантовой механики химическая связь – взаимодействие атомов, в ходе которого происходит перекрывание валентных орбиталей атомов, обобществление некоторого количества валентных электронов, понижение общей энергия системы. Энергия связи – энергия, выделяющаяся в процессе образования связи и характеризующая прочность этой связи (Е_св, кДж/моль). В зависимости от того, каким образом взаимодействует общая электронная пара с ядра­ми соединяемых атомов, различают три вида химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Химическая связь, осуществляемая за счет одной или не­скольких электронных пар, сильно взаимодействующих с ядрами обоих соединяемых атомов, называется ковалентной связью. Для ковалентной связи характерно:

1. взаимодействие между двумя атомами, несильно отличающихся по электроотрицательности;

2. атомы обобществляют свои валентные электроны, путем образования общих электронных пар;

3. одна общая электронная пара между двумя атомами соответствует одной ковалентной связи;

4. при взаимодействии атомов, одинаковых по электроотрицательности, образуется неполярная ковалентная связь;

5. при взаимодействии атомов, различающихся по электроотрицательности, образуется полярная ковалентная связь;

Общая пара электронов может образоваться по обменному механизму (каждый из атомов на одну связь предоставляет по одному электрону) или по донорно-акцепторному механизму (донор предоставляет электронную пару, а акцептор – пустую валентную орбиталь).

Кроме характеристик, общих для любой химической связи (энергия и длина связи), ковалентная связь имеет дополнительные особенности: кратность, насыщаемость, направленность, сопряжение, полярность и поляризуемость. Кратность ковалентной связи характеризуется числом общих электронных пар между соединяемыми атомами. Насыщаемость – каждый атом в соединении способен образовывать определенное число ковалентных связей. Направленность обусловлена тем, что атомные орбитали, участвующие в образовании молекулярных орбиталей, имеют различную форму и разную ориентацию в пространстве и стремятся к максимальному перекрыванию. Молекулярная орбиталъ, в которой максимальная электронная плотность сосредоточена на прямой, соединяющей ядра атомов, называется δ-молекулярной орбиталью. Ковалентную связь, при которой движение общей электронной пары описывается δ–молекулярной орбиталью, называют δ–связью. Между двумя атомами в молекуле может быть только одна δ–связь. Молекулярная орбиталь, возникающая в результате бокового перекрывания р-орбиталей взаимодействующих атомов, так что ее максимальная электронная плотность сосредоточена вне прямой, соединяющей ядра этих атомов, называется π–молекулярной орбиталью. Ковалентную связь, при которой движение общей электронной пары описывается π–молекулярной орбиталью, называют π–связью.

Л. Полинг предложил идею о гибридизации атомных орбиталей. Гибридизацией называется гипотетический процесс смешения различного типа, но близких по энергии атомных орбиталей данного атома с возникновением того же числа новых (гибридных) орбиталей, одинаковых по энергии и форме. Гибридизация атомных орбиталей происходит при возникновении ковалентной связи между атомами.

Сопряжение связей – это взаимодействие π–электронов одной связи с π–электронами соседних связей (π, π–сопряжение) или с неподеленной электронной парой соседнего ато­ма, находящейся на р-орбитали (р, π -сопряжение), с образованием единой делокализованной π–молекулярной орбитали, охватывающей все эти атомы в молекуле или ионе. Делокализация электронов в сопряженных системах — самопроизвольный процесс, приводящий к выравниванию энергий отдельных связей и к общему энергетическому выигрышу, что придает повышенную устойчивость подобным системам.

Химическая связь, для которой характерно сильное взаимодействие общей электронной пары с ядром только одного из соединяемых атомов, что приводит к образованию противоположно заряженных ионов, электростатически притягивающихся друг к другу, называется ионной связью. Ионная связь наблюдается только в соединениях атомов типичных металлов с типичными неметаллами, например в CsF, KBr, NaCl, и только в твердом состоянии. Ионная связь не обладает насыщаемостью, т.к. один катион может притягивать все соседние анионы. Ионная связь ненаправленна, электрическое поле зарядов имеет сферическую симметрию.

Металлическая связь. Металлы имеют особую кристаллическую решетку, в узлах которой находятся как атомы, так и катионы металла, а между ними свободно перемещаются обобществленные электроны ("электронный газ"). Движение общих электронов в металлах осуще­ствляется по множеству молекулярных орбиталей, возникших за счет слияния большого числа свободных атомных орбиталей соединяемых атомов и охватывающих множество атомных ядер. Металлический тип взаимодействия является случаем предельной делокализации химической связи. Особые свойства металлической связи (ненаправленность, ненасыщаемость, многоэлектронность и многоцентровость) определяют ряд специфических физических свойств металлов и их сплавов: очень высокие значения тепло– и элекропроводности, большую пластичность, особые оптические свойства и т.д.

Водородная связь является дополнительным типом химического взаимодействия, которое может возникать между положительно поляризованным атомом водорода и отрицательно поляризованным атомом очень сильного неметалла (фтор, кислород, азот).

То, что подобное взаимодействие не обнаруживается у других атомов, обусловлено уникальными свойствами поляризованного атома водорода (малый размер, отсутствие внутренних электронных слоев).

Водородная связь может быть:

а) межмолекулярной

б) внутримолекулярной (между отдельными фрагментами молекулярной структуры).

Ряд важных физико-химических свойств молекулярных веществ определяется наличием в них водородных связей (температуры плавления и кипе­ния, вязкость, плотность, растворимость). Соединения с внутримолекулярной водородной связью, как правило, имеют пониженные температуры плавления и кипения и меньшую вязкость в жидком состоянии. В результате образования водородных связей макромолекулы этих биополимеров приобретают определенную пространственную структуру, обеспечивающую их биологиче­ские функции. Возникают обратимые меж­молекулярные взаимодействия между субстратом и ферментом, между отдельными группами в природных полимерах, определяющие их вторичную, третичную и четвертичную структуру. Ведущую роль водородная связь играет в свойствах воды как растворителя и реагента. Разрыв водородных связей приводит к существенному изменению пространственной структуры макромолекул и их биохимических свойств. Почти все биохимические процессы на тех или иных стадиях сопровождаются образованием или разрушением водородных связей.

Межмолекулярные взаимодействия делятся на электростатические и донорно-акцепторные. К электростатическим относятся ориентационные, индукционные и дисперсионные взаимодействия между нейтральными частицами, которые принято в целом называть силами Ван-дер-Ваальса. Наиболее важной и отличительной чертой этих сил является универсальность, так как они действуют между любыми нейтральными частицами без исключения. Эти взаимо­действия проявляются на расстояниях 400-600 пм, и их энергия сильно умень­шается с увеличением этого расстояния. Кроме того, им не свойственна насыщаемость. Ориентационное взаимодействие – это электростатическое взаимодействие диполей друг с другом. Индукционное взаимодействие наблюдается, когда под действием полярной молекулы в неполярной молекуле индуцируется диполь и происходит взаимодействие наведенного диполя с полярной молекулой. Дисперсионное взаимодействие наблюдается практически всегда – это взаимодействие типа «мгно­венный диполь – индуцированный мгновенный диполь", возникающее при флуктуации электронных плотностей в молекуле или атоме.