2.2. Химическая связь и строение простых молекул

Содержание материала для самостоятельного изучения

Химическая связь и валентность элементов. Основные типы химической связи: ковалентная (полярная, неполярная), ионная, металлическая. s- и p-связь. Характеристики связи: энергия, длина, направленность, насыщенность, полярность, поляризуемость.

Литература: [1 – гл.2, §§ 2.1…2.5]; [2 – гл.2, §§ 2.1…2.3]; [3 – гл.IV, §§ 38…42].

Основные теоретические положения

Молекула – это устойчивое скопление атомов. Силы, удерживающие атомы в молекуле, принято характеризовать понятием химическая связь.

Химическая связь образуется за счет валентных электронов, но осуществляется по разному.

Различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Ковалентная связь, согласно электронным представлениям, возникает за счет образования общей электронной пары, или , с ковалентных представлений, перекрывания электронных облаков, принадлежащих разным атомам.

В образовании связи участвуют только одинарные (неспаренные) электроны по одному от каждого атома, имеющие противоположные значения спинового квантового числа.

Если электронное облако, образованное общей электронной парой, распределено (расположено) симметрично относительно ядер атомов и принадлежит им в равной степени, то такая связь называется ковалентной неполярной. Этот вид связи наблюдается, обычно, в молекулах, образованных атомами с одинаковой электроотрицательностью. Например, Н₂, Сl₂, F₂, N₂, О₂ и т.д.

В молекулах, атомы которых различаются по своим свойствам, электронное облако смещено с атому с большей электроотрицательностью. Такая ковалентная связь называется полярной.

Рассмотренный вид ковалентной связи имеет обменный механизм. Возможно возникновение ковалентной связи по донорно-ак-епторцному механизму между атомами элементами, один из которых имеет в возбужденном состоянии неподеленную электронную пару (донор), а другой – свободную орбиталь (акцептор). Этот вид связи образуется только в возбужденном состоянии, когда использованы все связи по обменному механизму.

Ионная связь – результат электростатического взаимодействия противоположно заряженных ионов. Ионная связь является предельным случаем ковалентной полярной связи.

Ионная связь возникает за счет перехода валентного электрона с атомной орбитали типичного металла на атомную орбиталь типичного неметалла. При этом атом типичного металла превращается в положительно заряженный ион, а атом неметалла приобретает отрицательный заряд. Между противоположно заряженными ионами возникает сила электростатического притяжения (ионная связь).

Решение типовых задач

Задача 1.Укажите тип химической связи в молекулах F₂, НF,КF.

Решение. В молекуле F₂ связь ковалентная неполярная. Валентные электроны в атомах расположены на последнем уровне 2s²2р⁵ следующим образом:









- одного атома фтора,
2s р_z р_у р_х









- другого атома фтора.

Каждый атом фтора имеет три неподеленные электронные пары и один неспаренный электрон. Неспаренные электроны фтора связываются в общую электронную пару. Между атомами фтора возникает одна ковалентная связь:

_{.. .. .. ..}

: F ^. + ^. F :  : F ( : ) F:

^{.. .. .. ..}

В образовании связи принимают участие электроны атомных орбиталей (А.О.) типа р_х:

р_х р_х

Происходит перекрывание электронных облаков и образуется облако связи или молекулярная орбиталь (М.О.) типа . Электронная пара или молекулярная орбиталь (облако связи) расположено симметрично, то есть на одинаковом расстоянии от ядер атомов фтора. Электроны, участвующие в образовании связи антипараллельны. -связи – это ковалентные связи, при образовании которых область перекрывания электронных облаков находится на линии, соединяющей ядра атомов. Связь в молекуле F₂ –одинарная.

В молекуле НF электронное облако смещено к атому с большей электроотрицательностью – фтору. Связь – ковалентная полярная.

.. ..

Н∙ ⁺ ∙ F:  Н ( : ) F:

∙∙ ∙∙



1s - валентный электрон водорода

2s р_z р_у р_х - валентные электроны фтора









s p_х

Задача 2. Определите валентность и степень окисления хлора в молекулах Cl₂ , НСl, НОСl.

Решение. Валентность определяется числом химических связей, которыми атом одного элемента удерживает атомы других элементов в соединении.

Под степенью окисления понимается заряд иона элемента в соединении, вычисленный из предположения, что молекула состоит только из ионов.

В молекуле Cl₂ имеется одна связь, следовательно, хлор одно-валентен.

.. .. .. ..

:Сl ^. + ^.Cl:  :Cl ( : ) Cl: или

^{. . . . . . . .}

3s р_z р_у р_х - валентные электроны одного атома хлора









3s р_z р_у р_х - валентные электроны другого атома хлора







↓

Поскольку молекула состоит из одинаковых атомов и электронное облако, образованное, общей электронной парой не смещается ни к одному из атомов, то степень окисления хлора равна нулю.

В молекуле НСl валентность хлора равна одному, так как в этом соединении имеется одна связь:

Н^. + ^. Сl :  Н ( : ) Сl : или

∙ ∙ ∙ ∙

1s - валентный электрон атома водорода



3s р_z р_у р_х









- валентные электроны атома хлора

Степень окисления хлора равна (-1), так как электронная пара смещена от водорода к хлору, электроотрицательность которого выше.

В молекуле НОСl между атомами кислорода и хлора возникает одна связь, поэтому хлор одновалентен.

.. .. .. ..

Н ^. + ^. О ^. + ^. Сl :  Н ( : ) О (: ) Сl : ^{. . . . . . . .}

1s



- водород,
2s 2р









- кислород,
3s 3р









- хлор.

Водород (как правило) и щелочные металлы в соединениях имеют степень окисления +1, кислород, как правило, минус 2.

Соединение НОСl электронейтрально, поэтому степень окисления хлора равна +1.

Задача 3. Определите для атомов фтора и брома валентность в нормальном и в возбужденном состояниях. Объясните, почему атом фтора, находящийся в одной группе с бромом не может проявить валентность, равную номеру группы?

Решение. Электронные формулы атомов фтора и брома:

₉F 1s²2s²2p⁵ ; ₃₅ Br 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁵.

Валентность в нормальном и в возбужденном состояниях определяется количеством неспаренных электронов, то есть количеством одинарных связей по обменному механизму. При возбуждении атома возможно распаривание электронов, но только в пределах одного энергетического уровня.

Валентные электроны брома - 4s²4p ⁵.

Изобразим распределение валентных электронов по квантовым ячейкам в атомах фтора и брома и определим их валентность в нормальном и возбужденном состояниях

Для атома фтора:









2s 2р

Валентность в нормальном состоянии – В⁰_F = 1(один одинарный валентный электрон).

Валентность в возбужденном состоянии - В_F^ =1(электронам некуда распариваться, нет свободных ячеек на последнем уровне).

Для атома брома имеем следующее распределение валентных электронов в нормальном состоянии:

­¯

­¯

­¯

­

4s 4p 4d

Валентность брома в нормальном состоянии – В⁰ = 1, так как имеется один неспаренный электрон на р-орбитали (одна ковалентная связь).

При возбуждении атома происходит распаривание электронов, то есть переход электронов с 4s и 4р орбиталей на 4d. Получается 3,5,7 неспаренных электронов соответственно:

Возбужденное состояние атома:

­

­

­

­

­

­

­

4s 4p 4d

Валентность в возбужденном состоянии - В* = 3, 5, 7.

Таким образом, у атома фтора на втором уровне, где находятся валентные электроны, нет свободных орбиталей, поэтому и нет возможности к распариванию электронов и увеличению ковалентных возможностей. Поэтому фтор не может проявить валентность, равную номеру группы, а бром может, так как на четвертом уровне существует d-орбиталь и она свободна.

Задачи для самостоятельного решения

61. Определите валентность и степень окисления углерода в соединениях СН₄, СО₂, СО.

62. Определите валентность и степень окисления элементов в молекулах Na₂SiO₃, CaSO₄, MgCO₃.

63. Укажите тип химической связи в молекулах NaCl, N₂, Cl₂, H₂S. Ответ мотивируйте.

64. Охарактеризуйте свойства ковалентной связи: насыщаемость, длину; полярность, поляризуемость.

65. Какая химическая связь называется ковалентной? Какие типы ковалентной связи вы знаете? Как будет изменяться характер химической связи в ряду:

NaCl MgCl₂ AlCl₃ SiCl₄PCl₅SCl₂Cl₂ ?

66. Какая связь называется ионной? Каковы ее особенности по сравнению с ковалентной? При взаимодействии атомов каких элементов может образоваться ионное соединение? Как будет изменяться характер химической связи в ряду: КСl СаСl₂  FeСl₂GeCl₄ Cl₂ ?

67. Укажите, в какой молекуле – НСl, НВr, НJ - связь более полярная (дипольные моменты соответственно равны: 1,06; 0,79; 0,42 Д). Ответ мотивируйте.

68. Что является количественной мерой полярности ковалентной связи? Какая из молекул – Н₂О, Н₂S, Н₂Se - более полярна и почему?

69. Какую валентность, обусловленную неспаренными электронами, может проявить сера в нормальном и в возбужденном состояниях? Ответ мотивируйте распределением валентных электронов атома серы по квантовым ячейкам. Почему атом кислорода, стоящий в одной группе с серой, не может проявить валентность, равную номеру группы?

70. Какую валентность, обусловленную неспаренными элек-тронами, может проявить хлор в нормальном и в возбужденном со-стояниях? Ответ мотивируйте распределением валентных электронов атома хлора по квантовым ячейкам. Почему атом фтора, стоящий в одной группе с хлором, не может проявить валентность, равную номеру группы?

71. Как изменится полярность связи Н - Э в ряду : Н₂ОН₂SН₂Se Н₂Те?

72. Какую ковалентную связь называют -связью и какую - -связью? Укажите, сколько и каких связей осуществляется в молекуле азота. Как можно объяснить ее высокую устойчивость?

73. Какая связь называется металлической, в каких случаях она возникает? Чем отличается структура кристаллов натрия от структуры кристаллов хлорида натрия? Какой вид связи осуществляется в этих кристаллах?

74. Какая химическая связь называется водородной? Каковы особенности соединений с водородной связью? Почему Н₂О и НF, имея меньшую молярную массу, плавятся и кипят при более высокой температуре, чем их аналоги Н₂S и НСl?

75. Какую валентность, обусловленную неспаренными элек-тронами, может проявить йод в нормальном и в возбужденном со-стояниях? Ответ мотивируйте распределением валентных электронов атома йода по квантовым ячейкам. Почему атом фтора, стоящий в одной группе с йодом, не может проявить валентность, равную номеру группы?

76. В чем состоит донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи? Разберите на примере образования молекулы NH₄Cl.

77. Как с помощью величины электроотрицательности объяснить последовательность в изменении дипольного момента в соединениях: Н₂О, Н₂S, Н₂Se?

78. Что называется дипольным моментом молекулы? Как с помощью величины электроотрицательности объяснить последовательность в изменении дипольного момента в соединениях: Н₂, НСl, НВr, НJ?

79. Пользуясь значениями относительных электроотрица-тельностей атомов К(0,91); Са(1,04); Аl(1,6); Сl(3,0), вычислите их разность для связей К – Сl, Са - Сl, Аl – Cl. Какая из связей характеризуется наибольшей степенью ионности?

80. Зная, что молекула Н₂О полярная, а СО₂ неполярная, укажите угловое или линейное строение имеют эти молекулы. Какая из связей характеризуется наибольшей степенью ионности?