4. Електронна природа хімічних зв’язків в органічних сполуках, гібридизація.

Типи хімічних зв’язків: іонні, ковалентні, водневі, металічні і вандервальсівські.

Хімічний зв'язок між атомами утворюється при перекриванні атомних орбіталей двох електронів. Пара електронів, яка утворює зв'язок, локалізується між двома атомами, учасниками зв’язку. Кожний зв'язок утворюється парою електронів з антипаралельними спінами. Гібридиза́ція орбіта́лей — суперпозиція різних, але близьких за енергією орбіталей даного атома, з виникненням того ж числа нових гібридних орбіталей, однакових за енергією. Гібридизація атомних орбіталей відбувається при виникненні ковалентних зв'язків між атомами. При гібридизації s- і p-орбіталей, розрізняють такі основні типи:sp³-гібридизація відбувається при змішуванні однієї s- і трьох p-орбіталей. Виникає чотири однакові орбіталі, розташовані одна щодо іншої під кутами тетраедрів 109°28’. Прикладом sp³-гібридизацї є молекула метану, або кристалічна ґратка типу алмазу (кремній, германій, арсенід галію).sp²-гібридизація відбувається при змішуванні однієї s- і двох p-орбіталей. Утворюється три гібридні орбіталі з осями, розташованими в одній площині і направленими до вершин трикутника під кутом 120 градусів. Негібридна p-атомна орбіталь перпендикулярна площині і, як правило, бере участь в утворенні π-зв'язків. Прикладом sp²-гібридизації є молекула бензолу, ненасичені полімери, графіт.

sp-гібридизація відбувається при змішуванні однієї s- і однієї p-орбіталей. Утворюється дві рівноцінні sp-атомні орбіталі, розташовані лінійно під кутом 180 градусів і направлені в різні боки від ядра атома. Дві решту негібридні p-орбіталі розташовуються у взаємно перпендикулярних площинах. sp-гібридизація утворюється в насичених полімерах.

Рис. 2. Форма и расположение электронных облаков при sp³-(a) и sр²-гибридизациях (б).

Водневий зв'язок утвор між атомами гідрогену й атомами електронегативних елементів різних молекул однієї і тієї самої речовини, які мають неподілені пари електронів.

Якщо під час сполучення двох атомів утворюються спільні пари електронів, що обертаються у полі ядер обох атомів, то такий зв'язок назив-ковалентним.

Зв’язок, що виникає між двома однаковими атомами, коли електронна пара розміщується симетрично центрів обох атомів, називають ковалентним неполярним зв’язком.

Він виникає між атомами неметалів одного виду, оскільки в них однакова електронегативність. Між двома атомами може утворюватися різне число ковалентних зв’язків:

Це не стосується молекули кисню О₂, будову якої важко пояснити методом молекулярних зв’язків. Треба застосовувати метод молекулярних орбіта лей.

Зв’язок, що виникає між атомами з різною електронегативністю, називають ковалентним полярним зв’язком

Якщо атоми хімічних елементів відрізняються своєю електронегативністю, то відбувається зміщення електронної пари до атомів більш електронегативного елемента і поляризація молекул, виникає диполь:

Але не завжди ковалентний полярний зв’язок зумовлює утворення диполя:

Залежно від способу перекривання орбіталей розрізняють б (сигма) – зв’язки і π (пі) – зв’язки.

б – зв’язки виникають унаслідок перекривання орбіталей вздовж прямої, що сполучає ядра атомів, які взаємодіють. Він утворюється за рахунок однієї електронної пари, тому завжди простий (ординарний):

π -зв’язок виникає унаслідок перекривання р – орбіталей з обох боків від лінії, що проходить через центри атомів, які взаємодіють, тобто перпендикулярно до осі б - зв’язку:

Рис. 1.3.3. Схема перекривання 3 р -орбіталей у молекулі азоту N₂

а - бзв'язок; б, в - π -зв'язки

Окрім механізму спарювання електронів, є ще донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв’язку. За рахунок неподіленої електронної пари одного атома (донора) і вільної орбіталі іншого атома (акцептора) виникає ковалентний зв’язок:

При цьому всі чотири зв’язки N – H в йоні амонію рівноцінні у всіх відношеннях – за довжиною, енергією тощо. Вони лише утворилися різними шляхами.

Йонний зв’язок – це хімічний зв’язок, що зумовлений електростатичним притяганням різнойменно заряджених йонів, на які перетворюються атоми внаслідок віддавання і приєднання електронів

Електричний заряд, якого при цьому набувають йони, називається зарядом іонів:

Йонний зв’язок утворюється між атомами елементів, які значно відрізняються за своєю електронегативністю.

Металічний зв’язок – це хімічний зв’язок, зумовлений взаємодією делокалізованих валентних електронів (електронного газу) з позитивно зарядженими йонами кристалічних граток металів. У атомах металічних елементів число валентних електронів набагато менше, ніж вільних орбіталей, внаслідок чого можливе вільне переміщення електронів по орбіталях різних атомів одного й того самого металу. Електрони усуспільнюються всіма атомами металу. Такий вид зв’язку характерний для металів у твердому і рідкому станах, а в газуватому атоми в металах зв’язуються між собою тільки ковалентними зв’язком (Li₂, Cu₂ та ін.