4. Химическая связь

Природа химической связи электрическая

В зависимости от характера распределения электронной плотности в веществе различают три основных типа химической связи; ковалентную, ионную, металлическую.

Главную роль в межатомных взаимодействиях играют те электроны, которые связаны в атоме наименее прочно. Эти электроны обусловливают возникновение химических (валентных) связей между атомами при образовании молекул. Их называют валентными.

Квантово-механические расчеты показывают, что взаимодействовать (вступать в связь) могут только те атомы, у которых имеются неспаренные электроны.

Если в нормальном состоянии (невозбужденном) на внешнем уровне атома нет спаренных электронов, то при затрате сравнительно небольшой энергии извне в пределах одного и того же уровня происходит процесс разъединения электронной пары. Например, возбуждение может произойти из s- состояния в р-состояние, из р- в d- состояние.

Нормальное состояние Возбужденное состояние

₄Ве 1s²2s² ₄Ве^* 1s²2s¹2p¹

₁₇CI ls²2s²2p⁶3s²3p⁵ C1^* 3 ²Зр⁴3d¹ число непарных

электронов – 3

Для атома хлора возможны следующие возбуждения

Нормальное

состояние:

Первое возбужденное состояние, число непарных электронов -3

Второе возбужденное состояние, число непарных электронов-5

3s²3p⁴3d¹

3s²3р³3d²

Третье возбужденное состояние, число непарных электронов-7

3s¹3р³3d³

Способность каждого элемента к образованию химических связей называется валентностью. Валентность хлора в нормальном состоянии равна 1, при С1^*- 3, при Cl** - 5, при Cl^*** - 7. Химическая связь в основном осуществляется так называемыми валентными электронами. У s- и р-элементов валентными являются электроны внешнего слоя, а у d-элементов - электроны s -состояния внешнего слоя и d- состояния предвнешнего слоя.

4.1. Ковалентная связь

Ковалентная связь сосредоточена между двумя атомами, она двухцентровая, двухэлектронная и осуществляется одной или нес­колькими общими электронными парами.

Ковалентная связь может образоваться по обменному и донорно-акцепторному механизмам.

Обменный механизм: электронные облака непарных электронов, взаимно перекрывая друг друга, образуют общие электронные облака (молекулярные) с более высокой электронной плотностью, например, Сl₂, N₂, H₂O, HCI. Например, при образовании молекул Cl₂, N₂ образуются общие электронные облака (одно, три), симметрично располагающиеся в пространстве относительно обоих ядер атомов, связь неполярна.

В случае образования молекул HCl, H₂O и других общие электрон­ные облака несимметричны и смещены к более электроотрицательно­му элементу Cl, 0; связь полярна.

Электронные облака атомов, как показано ниже, имеют различную форму (см. 2.1), поэтому их взаимное перекрывание может осуществляться разными способами.

Р

:

азличают σ-, π- и δ-(дельта) перекрывание (связи). σ–связь осуществляется при перекрывании электронных облаков вдоль линии соединения ядер атомов. В образовании σ – связи могут участвовать все атомные орбитали:σ_s-s; σ_s-p; σ_s-d; σ_s-f; σ_p-p; σ_p-d; σ_p-f; σ_d-d;σ_f-f;

π-связь образуется за счет взаимного перекрывания электронных облаков перпендикулярно линии соединения центров ядер (σ).

:

К ним относятся связи π_p-p; π_d-d; π_d-f; π_f-f .S-орбитали не принимают участия в образовании π-связи, δ(дельта)-связи встречаются в соединениях между атомами переходных элементов, например в ионе (Re₂Cl₈)^2-.

:

На этом рисунке приведены схемы перекрывания двух атомных d-орбиталей, расположенных в параллельных плоскостях.

Донорно-акцепторный механизм (ДАМ). В этом случае различа­ют атом-донор, представляющий при образовании связи двухэлектронное облако, и атом-акцептор: имеющий свободную орбиталь.

Рассмотрим образование иона NH₄⁺ из молекулы аммиака и -катиона водорода, имеющего свободную орбиталь. Атом азота в молекуле аммиака имеет неподеленную 2s-электронную пару (донор), а катион водорода - свобод­ную орбиталь (акцептор):

В ионе аммония атом азота образует три ковалентных N-Н-связи путем перекрывания 3 одноэлектронных р - облаков азота с 3 электронами 3 атомов водорода, а четвертая N-Н связь образуется по ДАМ. Ковалентную связь, образованную по ДАМ,условно обозначают стрелкой ().