Лекция 2. Химическая связь.

Современная теория химической связи базируется на квантово­механических представлениях о строении молекулы. Впервые элек­тронную теорию химической связи, предложили в 1916 г. немецкий ученый В. Коссель и американский ученый Дж. Н. Льюис. Авторы элек­тронной теории выдвинули идею о том, что химическая связь — ре­зультат взаимодействия внешних электронных оболочек атомов. Об­разуя химическую связь, каждый атом стремится заполнить внешнюю электронную оболочку до конфигурации, присущей инертным газам. При этом он принимает участие в образовании обшей электронной пары, отдает или принимает электроны. Принцип заполнения вален­тных оболочек до конфигурации инертных газов получил название октетное правило.

ТИПЫ ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ

Согласно принятой в настоящее время классификации существу­ет несколько типов химической связи: ионная, ковалентная, водород­ная, металлическая и др. По способу образования химической связи различают две основные: ионную и ковалентную.

ИОННАЯ СВЯЗЬ

Ионная связь — характерна для атомов значительно отличающих­ся по электроотрицательности. Ионный тип связи характерен для не­органических соединений.

Рассмотрим, как осуществляется связь в хлориде натрия:

Хлор по сравнению с натрием обладает большей электроотрица­тельностью, то есть большим сродством к электрону. Вследствие этого электрон переходит с внешней оболочки натрия на внешнюю оболоч­ку хлора, при этом образуются положительный и отрицательный за­ряды, между которыми действуют силы электростатического притя­жения. Ион натрия приобретает электронную конфигурацию неона, а ион хлора — конфигурацию аргона.

Соединения с ионной связью характеризуются относительно большим дипольным моментом, хорошей электропроводимостью, высо­кими температурами плавления.

Ковалентная связь

Ковалентная связь — основной тип связи в органических соедине­ниях, характеризующийся увеличением электронной плотности между химически связанными атомами в молекуле по сравнению с рас­пределением электронной плотности в свободных атомах.

Ковалентная связь возникает между атомами, имеющими одина­ковую или близкую по значению электроотрицательность. Для обра­зования ковалентной связи каждый из атомов предоставляет по одно­му электрону, при этом образуется общая пара электронов, которая в равной степени принадлежит обоим атомам. На письме ковалентная связь изображается черточкой между атомами.

Классическим примером ковалентной связи является молекула метана:

Атом углерода содержит на внешнем электронном уровне четыре валентных электрона и, чтобы доукомплектовать этот слой до октетной конфигурации, он образует четыре общие электронные пары с четырьмя атомами водорода.

В зависимости от электроотрицательности атомов между которы­ми образовалась ковалентая связь, она может быть полярной или не­полярной.

Если электроотрицательность атомов одинакова, то общая элек­тронная пара находится на одинаковом расстоянии от ядра каждого из атомов. Такая связь называется ковалентной неполярной:

При возникновении ковалентной связи между атомами с различ­ной электроотрицательностью общая электронная пара смещается к более электроотрицательному атому. В этом случае образуется кова­лентная полярная связь.

Стрелка в формуле указывает на полярность ковалентной связи. С помощью греческой буквы δ («дельта») обозначают частичные за­ряды на атомах: δ⁺ — пониженную, δ^- — повышенную электронную плотность.

По числу электронных пар, образующих ковалентную связь, раз­личают связи простые — с одной парой электронов и кратные — с дву­мя или тремя парами.

Основные характеристики ковалентной связи: длина связи (расстоя­ние между центрами атомов в молекуле); энергия связи (энергия, кото­рую необходимо затратить на разрыв связи); полярность связи (нерав­номерное распределение электронной плотности между атомами, обус­ловленное различной электроотрицательностью); поляризуемость (лег­кость, с которой смещается электронная плотность связи к одному из атомов под влиянием внешних факторов); направленность (ковалент­ная связь, направленная до линии, соединяющей центры атомов).

Атомы некоторых элементов (кислорода, азота, серы, галогенов и др.) расходуют не все внешние электроны для формирования октетной оболочки. Такие электроны называют неподеленные, необобществ­ленные или π-электроны.

Донорно-акцепторная связь или координационная — разновидность ковалентной связи, которая отличается способом образования.

Донор — атом, который должен иметь пару неподеленных элек­тронов, а акцептором может быть любой атом (в том числе и протон), у которого не хватает до образования октета двух электронов.

Например, образование иона аммония протекает по донорно-ак- цепторному механизму. Ковалентная связь образуется за счет того, что атом азота (донор электронов) отдает неподеленную пару электронов на образование ковалентной связи протону (акцептору электронов):

Вновь образовавшаяся связь Н—N ничем не отличается от осталь­ных связей Н—N, которые имелись у аммиака. Такая связь называется еще координационной.

Семиполярная связь — частный случай донорно-акцепторной свя­зи. Она образуется между атомами, один из которых имеет неподелен­ную пару электронов, а другой содержит на внешнем энергетическом уровне шесть электронов (секстет), то есть имеет вакантную атомную орбиталь.

Рассмотрим образование семиполярной связи в молекуле оксида триметиламина:

В результате образования связи атом кислорода (акцептор) при­обретает отрицательный заряд, а атом азота (донор) — положитель­ный. Такой вид связи обозначают следующим образом:

Соединения с семиполярной связью не проводят электрический ток, несмотря на наличие наряду с ковалентной связью и ионного вза­имодействия.