Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия (Для студентов-иностранцев). Учебное пособие
.pdf
Химическая связь образуется за счет валентных электронов, но осуществляется по разным механизмам. Различают три
основных типа химических связей: ковалентную, ионную и
металлическую. Простейший пример ковалентной связи – образование молекулы водорода: H + H = H2, ∆Ho = - 436 кДж.
При сближении двух атомов, имеющих по одному неспаренному s-электрону с антипараллельными спинами, на расстояние 0,074 нм происходит частичное перекрывание их электронных облаков и образуется общая электронная пара (рис. 4).
Электронная формула Н
Электронная схема образования молекулы Н
Рис. 4. Изображение образования молекулы водорода
2
2
Между центрами обоих ядер образуется молекулярное
двухэлектронное облако, которое обладает максимальной электронной плотностью в пространстве между ядрами. Увеличение
плотности отрицательного заряда способствует сильному возрастанию сил притяжения между ядрами и молекулярным облаком.
Молекула водорода образуется за счет взаимодействия общей
электронной пары с ядрами обоих атомов.
Cвязь атомов с помощью общих электронных пар называется ковалентной.
The bon d of atoms wit h the help of shared elect ron pair s is called
covalent.
La lia ison des at omes à l'a ide de pair es d'él ectron s partag ées est ap -
pelée covalent e.
.ﺎﯿﻤھﺎﺴﺗ ﺔﻌﺋﺎﺸﻟا تﺎﻧوﺮﺘﻜﻟﻹا جاوزأ ﻖﯾﺮﻃ ﻦﻋ تارﺬﻟا ناﺮﺘﻗا ﻰﻤﺴﯾ
71
Образование ковалентной связи изображают также с помощью квантовых ячеек:
валентные электроны общая пара электронов
Рассмотрим образование молекулы хлороводорода. Элек-
тронные формулы атомов хлора и водорода (17Cl 1s22s22p63s23p5;
H 1s1) показывают, что внешние электронные слои этих атомов
1
имеют по одному неспаренному электрону ( у атома водорода это
s-электрон, а у атома хлора это p-электрон). При сближении атомов водорода и хлора на расстояние 0,128 нм происходит перекрывание s- и p-орбиталей и образуется общая электронная пара
(рис. 5).
H Cl H – Cl
Рис. 5. Изображение образования молекулы хлороводорода
При образовании молекулы хлора происходит перекрыва-
ние двух p-орбиталей (рис. 6).
Cl Cl Cl – Cl
Рис. 6. Изображение образования молекулы хлора
Электронные схемы образования молекул хлороводорода и
хлора соответственно имеют вид:
;
72
.
В молекуле азота ковалентная связь образуется за счет трех
H
H
H
H
+
общих электронных пар, так как каждый атом азота имеет по три
неспаренных электрона, расположенных на p-орбиталях:
n = 2
n = 1
↑↓ ↑ ↑ ↑
↑↓
p
s.
Электронная схема образования молекулы азота имеет вид:
Если общие электронные пары обозначать чертой, то электронная формула превращается в структурную:
N:Η:
H
..
..
..
Cl:Η
..
..
O:Η:
..
H
C:ΗH:
H
..
H:
..
H
|
OHClH
|
NH
|
CHH
.H
|
Ковалентная связь может образовываться между двумя атомами, один из которых имеет пару электронов, а другой - свободную орбиталь. Например, при взаимодействии аммиака NH3 и хлороводорода H Cl пара s-электронов атома азота, которые не участвуют в образовании связей в молекуле аммиака (неподделенная пара электронов), становится общей для водорода и азота,
получается ион аммония NH
ΝΗ
Η
+
:
4
Η
ΝΗΗΗ
Η
ù
&&
××××®
Η
.
ú
&&
û
é
&&
+××××
&&
+
ê
ë
Такой механизм образования ковалентной связи называется
донорно-акцепторным. В данном случае донором электронной
пары является атом азота, а акцептором – ион водорода. Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи наблюдается в комплексных соединениях [Ag(NH3)2]OH,
K4[Fe(CN)6].
73
3.2. Характеристики ковалентной связи
Словарь
Русский Английский Французский Арабский
направленность directivity directivité(f) ﺔﺤﺻ مﺪﻋ ، ﺔﻗد مﺪﻋ
полярность polarity polarité(f) بﺎﻄﻘﺘﺳأ
насыщаемость saturability saturabilité(f) ﻊﺒﺸﺗ
кратность order multiplicité(f) ﻀﻣ ،ﺔﻤﺴﻘﻟا ﺔﯿﻠﺑﺎﻗﺔﻔﻋﺎ
перпендикулярный perpendicular perpendiculaire ،ﺪﻣﺎﻌﺘﻣ ، يدﻮﻤﻋ
ﻲﺳأر
симметричный symmetrical symétrique ﮫﺑﺎﺸﺘﻣ
смеща ться to displace se déplacer حﺰﺣﺰﺗ،ﻞﯾﻮﺤﺗ،ﺔﺣازأ
двойная связь double bond double liaison(f) ﺔﺟودﺰﻣ ﺔﻗﻼﻋ
тройная связь triple bond triple liaison(f) ﺔﯿﺛﻼﺛ ﺔﻗﻼﻋ
длина length longueur(f) لﻮط
Характеристики ковалентной связи – направленность в
пространстве, полярность, насыщенность, кратность, энергия,
длина и валентный угол.
Направленность ковалентной связи обусловливает пространственную структуру молекул, т. е. их геометрию (форму).
The direction of the c o va lent bon d determ ines the spatia l structure of
the molecules, i.e., their geometry (shape).
La direction de la liaison covalente détermine la structure spatiale
des molécules, c'est-à-dir e leur géométrie (for me).
.(ﺎﮭﻠﻜﺷ) ﺎﮭﺘﺳﺪﻨھ يأ ، تﺎﺌﯾﺰﺠﻠﻟ ﺔﺑاﺮﻐﻠﻟ ةﺪﯾﺆﻤﻟا ﺔﯿﻨﺒﻟا ﺔﯿﻤھﺎﺴﺘﻟا ﺔﻄﺑاﺮﻟا هﺎﺠﺗا دﺪﺤﯾ
Если электронные облака перекрываются в направлении
прямой, которая соединяет ядра атомов (т. е. по оси связи), такая
ковалентная связь называется σ-связью (сигма-связью). Например, в молекулах H2, HCl, Cl2 атомы соединяются ковалентной
сигма-связью (рис. 7).
74
Рис. 7. Перекрывание орбиталей в молекулах:
а – водорода; б – хлороводорода; в – хлора
При перекрывании p-орбиталей, направленных перпендикулярно оси связи, образуется две области перекрывания по обе
стороны оси связи (рис. 8). Такая ковалентная связь называется
π-связью (пи-связью). Например, в молекуле азота атомы связаны
одной σ-связью (1-) и двумя π-связями (2- и 3-). Изображение связей в молекуле азота представлено на рис. 9.
Рис. 8. Изображение π-связи Рис. 9. Изображение σ- и π-связей
в молекуле азота
Полярность связи определяется асимметрией в распределении общего электронного облака вдоль оси связи.
The bond polarity is determined by the asymmetry in the distribution
of the comm on el ec tron cloud along the bon d axis.
La polarité de la liaison est déterminée par l'asymétrie dans la distri-
bution du nuage d'électrons commun le long de l'axe de la liaison.
ﻰﻠﻋ ﺔﻛﺮﺘﺸﻣ ﺔﯿﻧوﺮﺘﻜﻟإ ﺔﺑﺎﺤﺳ ﻊﯾزﻮﺗ ﻲﻓ ﻞﺛﺎﻤﺘﻟا مﺪﻋ لﻼﺧ ﻦﻣ لﺎﺼﺗﻻا ﺔﯿﺒﻄﻗ ﺪﯾﺪﺤﺗ ﻢﺘﯾ
.ﻂﺑاﺮﻟا رﻮﺤﻣ لﻮﻃ
Если общие электронные пары располагаются симметрично
относительно обоих ядер, то такая ковалентная связь называется
неполярной. В молекулах простых веществ (H2, O2, N2, Cl2) атомы
соединяются неполярной ковалентной связью.
Если общие электронные пары смещаются к одному из
атомов (располагаются несимметрично относительно ядер различных атомов), то такая связь называется полярной. Связь в молекулах воды, аммиака, хлороводорода - полярная.
Кратность ковалентной связи определяется числом общих
электронных пар, которые связывают атомы.
75
The multiplicity of a covalent bond is determined by the number of
common e lectron pai rs that bind atoms .
La multiplicité d'une liaison covalente est déterminée par le nombre de
paires d'électrons communes qui lient les atomes.
.تارﺬﻟا ﻂﺑﺮﺗ ﻲﺘﻟا ﺔﻣﺎﻌﻟا ﺔﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻹا جاوزأ دﺪﻋ ﻞﺒﻗ ﻦﻣ ﺔﯿﻤھﺎﺴﺘﻟا تاﺪﻨﺴﻟا دﺪﻌﺗ ﺪﯾﺪﺤﺗ ﻢﺘﯾ
Связь между атомами при помощи одной пары электронов
называется простой или одинарной (связи H – Cl, C – H, H – O).
Связь при помощи двух электронных пар называется двойной
(H – C = C – H - этилен).
׀ ׀
H H
Связь при помощи трех электронных пар называется тройной (H – C ≡ C – H - ацетилен).
Длина связи – это равновесное расстояние между ядрами
атомов.
The bond length is the equilibrium distance between the nuclei of atoms.
La lon gu eur d e la l iai son est l a d istan ce d ' équi l ibr e en t r e l es n oyaux des
atomes.
.تارﺬﻟا ىﻮﻧ ﻦﯿﺑ نزاﻮﺘﻟا ﺔﻓﺎﺴﻣ ﻮھ ﺔﻄﺑاﺮﻟا لﻮﻃ
Длину связи выражают в нанометрах (1 нм = 10-9 м). Чем
меньше длина связи, тем прочнее химическая связь.
Энергия связи (кДж/моль) равна работе, которую необходимо затратить на разрыв связи.
The bond energy (kJ/mol) is equal to the work required to break the bond.
L'éner gie de la liaison (kJ/mol) est égal e au tra vail nécessa ire pour
rompre la liaison.
.تﻻﺎﺼﺗﻻا طﻼﺑ ﻰﻠﻋ ﮫﻗﺎﻔﻧإ ﺐﺠﯾ يﺬﻟا ﻞﻤﻌﻟا يوﺎﺴﺗ (lom / Jс) ﺔﯿﻠﺻاﻮﺘﻟا ﺔﻗﺎﻄﻟا
Энергия связи увеличивается с уменьшением длины и увеличением кратности связи (табл. 8).
Таблица 8
Энергия и длина связи в молекулах некоторых веществ
76
Молекула
H
2
Cl
2
HCl 0,128 426
Н3С – СН
Н2С = СH
HC ≡ CH 0,120 830
3
2
Длина, нм Энергия, кДж/моль
0,074 435
0,199 242
0,154 350
0,134 610
Связь
Ковалентные связи, образуемые многовалентными атома-
H
..
ми, имеют пространственную ориентацию. Углы между связями
называются валентными.
The angles between bonds are called bond an g les.
Les angles entr e les liai sons sont appelés an gles de liaison.
.ﺆﻓﺎﻜﺘﻟا تﻻﺎﺼﺗﻻا ﻦﯿﺑ ﺎﯾاوﺰﻟا ﻰﻠﻋ ﻖﻠﻄﯾ
Рассмотрим образование молекулы воды. Электронная
формула атома кислорода (8О 1s22s22p4) показывает, что на
p-орбиталях внешнего электронного слоя находятся два спаренных и два неспаренных (валентных) электрона.
При сближении двух атомов водорода и одного атома кислорода на расстояние 0,957 нм происходит перекрывание
s-орбиталей атомов водорода и p-орбиталей атома кислорода, направленных перпендикулярно друг другу. В результате образуется
две общих электронных пар (рис. 10).
Рис. 10. Изображение образования молекулы воды
Электронная схема образования молекулы воды имеет вид:
.
О:ΗН:..OΗ ®×+×+×
×
..
H
OH:формулаяструктурна;:
|
Химические связи в молекуле воды должны быть направлены под углом 90о. Однако экспериментально установлено, что
валентый угол между связями в молекуле воды равен 104,5о. Это
явление объясняет теория гибридизации атомный орбиталей. Таким образом, молекула воды имеет угловую форму. Очевидно,
молекулы такой же формы образуют с водородом аналоги кислорода – сера, селен, теллур.
77
3.3. Теория гибридизации атомных орбиталей
Словарь
Русский Английский Французский Арабский
гибридизация hybridization hybridation(f) ﻦﯿﺠﮭﺗ
разъединение disconnection séparation(f) ﻞﺼﻓ
смещение displacement déplacement(m) ﻂﻠﺧ
выравнивание equalization égalisation(f) ﺔﯾﻮﺴﺗ، ةاوﺎﺴﻣ
линейный linear linéaire ، ﻲﻄﺧ ...ﻂﺧ
отталкивание repulsion repoussement(m) رﻮﻔﻧ
треугольник triangle triangle(m) ﺚﻠﺜﻣ
тетраэдр tetrahedron tétraèdre(m) ﻞﻜﺷ ،ﮫﺟوﻻا ﻲﻋﺎﺑر
حﻮﻄﺴﻟا ﻲﻋﺎﺑر
угол angle angle(m) ﺔﯾواز
неподеленный unshared célibata ire, libre كﺮﺘﺸﻣ ﺮﯿﻏ
пара pair paire(f) جوز
Очень часто электроны, участвующие в образовании кова-
лентной связи, находятся на различных орбиталях. Казалось бы, и
связи в молекуле по прочности должны быть неравноценными.
Однако опыт показывает, что они равнозначны. Это объясняется
понятием гибридизации атомных орбиталей, введенным американским ученым Л. Полингом в 1931 году.
Гибридизацию валентных орбиталей рассмотрим на приме-
ре образования молекул хлорида бериллия BeCl2, хлорида бора
BCl3 и метана CH4.
Переход атома бериллия в возбужденное состояние сопро-
вождается разъединением спаренных электронов:
n = 2 ↑↓ n = 2 ↑ ↑
n = 1 ↑↓ p n = 1 ↑↓ p
s
Be 1s22s
4
2
→
s
Be* 1s22s12p1.
4
Перевод электрона с 2s-орбитали на 2p-орбиталь, то есть
переход атома в возбужденное состояние, требует затраты энергии, которая с избытком компенсируется в реакции за счет
78
образования двух связей. В возбужденном состоянии атом бериллия присоединяет два атома хлора. Обе связи Be–Cl одинаково
прочны, что объясняется явлением гибридизацией валентных
орбиталей.
Гибридизация – это смещение атомных орбиталей и вы-
равнивание их по форме и энергии.
Hybridization is the displacement of atomic orbitals and their align-
ment in shape and energy.
L'hybridation est le déplacement des orbitales atomiques et leur
align ement en form e et en énergie.
.ﺔﻗﺎﻄﻟاو ﻞﻜﺸﻟا ﻲﻓ ﻢھةاذﺎﺤﻣو ﺔﯾرﺬﻟا تاراﺪﻤﻟا حوﺰﻧ ﻮھ ﻦﯿﺠﮭﺘﻟا
Первоначальная форма и энергия электронных орбиталей
атома взаимозаменяются и образуются орбитали одинаковой
формы и энергии. Гибридная орбиталь асимметрична и сильно
вытянута по одну сторону от ядра ( рис. 11).
Рис. 11. Форма sp-гибридной орбитали
Химическая связь, образуемая с участием электронов гиб-
ридных орбиталей, прочнее связи с участием электронов негибридных орбиталей, так как при гибридизации происходит большее перекрывание. Гибридизация происходит, если в образовании связей участвуют электроны, расположенные на разных по
форме орбиталях (в нашем примере s- и p-орбитали). При этом
число гибридных орбиталей равно числу исходных.
79
Таким образом, в образовании химической связи в молеку-
ле BeCl2 участвуют один s- и один p-электрон центрального атома, то есть бериллия. В этом случае происходит sp- (читается
эс – пэ) гибридизация атомных орбиталей (рис. 12).
(s и p)-орбитали две sp-орбитали
Рис. 12. sp-Гибридизация валентных орбиталей
Две гибридных орбитали ориентируются под углом 180
друг к другу, то есть молекула BeCl2 имеет линейную форму – все
три атома расположены на одной линии (рис. 13).
Рис. 13. Линейная молекула BeCl
2
В молекуле хлорида бора осуществляется sp2-гибридизация
орбиталей центрального атома (эс – пэ – два – гибридизация). У
атома бора (электронная формула 1s22s22p1, в возбужденном состоянии 1s22s12p2) в гибридизации участвуют орбитали одного
s- и двух p-электронов, что приводит к образованию трех гиб-
ридных орбиталей, расположенных под углом 120о (рис. 14).
(s + p + p)-орбитали три sp-орбитали
о
80
Рис. 14. sp2-Гибридизация валентных орбиталей
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]