2.2 Химическая связь Существует два подхода к описанию химической связи: метод валентных связей (мвс) и метод молекулярных орбиталей (ммо).

1. Метод валентных связей исходит из того, что химическая связь осуществляется связывающими электронными парами, каждая из которых принадлежит двум атомам. Связывающие электронные пары могут образовываться по обменному или донорно-акцепторному механизму.

1. По обменному механизму связь возникает за счет перекрывания электронных орбиталей неспаренных электронов двух атомов. В связывающей электронной паре электроны имеют антипараллельные спины.

Пример 1. Покажите, какие орбитали и как участвуют в образовании химиче- ской связи в молекулах: а) Li₂; б) LiF; в) F₂. Напишите графические формулы этих молекул.

Решение: Электронные формулы атомов лития и фтора имеют вид:

³Li 1s²2s¹2p^{0 9}F 1s²2s²2p⁵

и электронно-графические формулы их соответственно:

2s 2p 2s 2p

↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑

Li F

Неспаренный электрон атома лития занимает 2sорбиталь, а атома фтора 2pорбиталь. Следовательно, эти орбитали участвуют в образовании химической связи вышеприведенных соединений. Это можно представить:

Li-Li Li-F

F-F

Число связей, которые образует атом по обменному механизму, как правило, равно числу его неспаренных электронов в основном или валентно-возбужденном состоянии. В методе валентных связей исходят из того, что валентновозбужденные состояния атома, отличающиеся от основного большим числом неспаренных электронов, получают переводом одного или нескольких электронов электронных пар на свободные орбитали другого подуровня того же электронного уровня.

Пример 2. Сколько связей по обменному механизму могут образовать атомы серы и кислорода? Напишите эмпирические формулы их соединений со фтором.

Решение. Кислород с порядковым номером восемь является элементом 2-го периода. Электронная формула ⁸О 1s²2s²2p⁶. На валентном уровне атом имеет 4 орбитали и 6 электронов:

2s 2p

↑↓ ↑↓ ↑ ↑

В валентном электронном уровне атома кислорода нет вакантных орбиталей. Следовательно, атом кислорода может образовать по обменному механизму только две связи. Соединение со фтором имеет формулу ОF₂ и соответственно графическую F-O-F.

Сера с порядковым номером шестнадцать – элемент 3-го периода. Электронная формула 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴.

Валентный уровень серы состоит из 3-х подуровней и 9 орбиталей.

Атом серы может иметь два валентно-возбужденных состояния.

3s 3p 3d

↑↓ ↑↓ ↑ ↑

3s 3p 3d

↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑сера (IV)

3s 3p 3d

↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑сера (VI).

Она может образовывать 2, 4 и 6 связей по обменному механизму.

Соединения серы со фтором имеют формулы SF₂; SF₄; SF₆.

Связи между атомами могут быть кратными (двойными, тройными). Кратные связи образуются с участием σ- и π- связей.

Пример 3. Покажите, какие орбитали и как участвуют в образовании связи в молекуле С₂. Напишите графическую формулу молекулы С₂.

Решение. Электронная конфигурация атома углерода с порядковым номером шесть ⁶С 1s²2s²2p² и соответственно электронно-графическая формула имеет вид:

2s 2p

↑↓ ↑ ↑

В образовании связей у каждого атома углерода могут участвовать два рэлектрона (Р_х, Р_у): одна связывающая электронная пара образует σсвязь (Р_хР_х), другая π (Р_уР_у)



+ +

С С



–

Связь может образоваться за счет неподеленной пары электронов одного атома и свободной орбитали другого атома. Атом, представляющий для образования

связи электронную пару, называется донором (Д), а атом, имеющий свободную орбиталь, называется акцептором (А).

Д + А = Д А

Например, образование иона аммония:

2s 2p , 1s

↑↓ ↑ ↑ ↑ 

N H

N + 3H  NH₃

N

H₃+H⁺[NH₄]⁺

H

Н +

Н N +H⁺ = H N Н

H

H

Д А

Геометрическую структуру молекул, направленность ковалентных связей определяет теория гибридизации атомных орбиталей центрального атома.

Гибридизация – это перераспределение электронной плотности между разными, но близкими по энергии атомными орбиталями одного энергетического уровня и образование гибридных атомных орбиталей, численно равных количеству исходных и одинаковых по форме и по энергии.

Например, в гибридизации могут участвовать s и pорбитали одного энергетического уровня, обладающие различной симметрией. В результате образуются две гибридные орбитали. Гибридные атомные орбитали (ГАО) имеют несимметричную форму. У таких орбиталей электронная плотность по одну сторону выше, что и определяет перекрывание электронных облаков и делает более устойчивой химическую связь.

Типы гибридизации атомных орбиталей

1. Комбинация одной s и одной p-орбиталей приводит к sp-гибридизации. Образуются два гибридных облака, ориентированных в пространстве под углом 180⁰.

Например, образование молекулы ВеСl₂:

⁴Be

1s²2s² *Be 1s²2s¹2p¹ (перевод в возбужденное состояние). В результате гибридизации 2s и 2p орбиталей образуется линейная связь и линейная молекула

Cl Be Cl

180⁰

Элементы II группы, подвергаясь sp-гибридизации, образуют линейные молекулы.

2. Комбинация одной s- и двух p-орбиталей приводит к sp²-гибридизации.

Например, образование молекулы ВН₃.

⁵В 1s²2s²2p¹ B* 1s²2s¹2p². В результате гибридизации одной s- и двух p- орбиталей образуется треугольная плоская молекула.

Элементы III группы, подвергаясь sp²-гибридизации, образуют треугольные плоские молекулы.

3. Комбинация одной s- и трех p- орбиталей приводит к sp³- гибридизации.

Например, образование молекулы СH₄:

⁶С 1s²2s²2p² C* 1s²2s¹2p³

В результате гибридизации одной s- и трех p-орбиталей образуется тетраэдрическая молекула.

109⁰ 28

Элементы IV группы, подвергаясь sp³-гибридизации, образуют тетраэдрические молекулы.

Задачи к разделу 2:

«Строение атома. Химическая связь»