Лекция 11

Тема: ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ.

СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ.

МЕТОД ВАДЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ

Цель: Ознакомить студентов с характеристиками химической связи, способами образоапния и типами.

1.Химическая связь и ее характеристики.

2.Типы химической связи.

3.Гибридизация атомных орбиталей.

4.Метод валентных связей.

1.Химическая связь и ее характеристики

Химические элементы встречаются в природе главным образом не в виде простых веществ, а в виде сложных соединений. Лишь благородные газы встречаются в идее атомов.

Химическая связь – это взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в молекулы, ионы, радикалы, кристаллы. Для химической связи характерно электростатическое взаимодействие. Природа химической связи, согласно современным представлениям, объясняется взаимодействием электрических полей, образуемых электронами и ядрами атомов, которые участвуют в образовании химического соединения. Химическую связь образуют нейтральные молекулы с антипараллельными спинами. Пребывание электрона в поле 2 атомных ядер энергетически выгодно для атомной системы, нежели пребывание каждого электрона в поле своего ядра. Основное условие образование связи – понижение полной энергии системы по сравнению с энергией изолированных атомов, т.е. Е_АВ<Е_А+Е_В в случае образования вещества АВ из атомов А и В.

Важными характеристиками химической связи являются:

1)длина связи (межъядерное расстояние) – это расстояние между центрами атомов, образующих данную связь.

Для приближенного вычисления длины связи d можно применить соотношение, основанное на допущении, что каждый атом вносит постоянный вклад в межъядерное расстояние:

d_А-В = (d_А-А + d_В-В)/2 [нм]

Точные значения длин связей определяются экспериментально.

2)валентные углы – углы, образованные в молекулах линиями, соединяющими центры атомов в направлении действия между ними химических связей.

Валентные углы зависят от природы и характера химической связи.

3)энергия связи определяет прочность химической связи. Мерой прочности химической связи является количество энергии, затрачиваемой на ее разрыв. Энергия разрыва связи всегда положительна; энергия образования связи по абсолютной величине равна энергии разрыва связи, но противоположна по знаку.[Е] = [кДж]

Для двухатомных молекул энергия связи равна энергии диссоциации. С возрастанием длины связи энергия связи уменьшается.

2.Типы химической связи

1) Ковалентная связь.

Простейший пример образования ковалентной связи – образование молекулы Н₂. Атомы водорода имеют электронную оболочку 1s¹. Внешний энергетический уровень является незавершенным. При сближении двух атомов водорода происходит взаимодействие электронов с антипараллельными спинами с формированием общей (поделенной) электронной пары:

Н 1 + 1 Н → Н 11 Н (Н₂)

s s s

Объяснение механизма образования химической связи за счет общих электронов лежит в основе метода валентных связей.

Н∙ + ∙Н → Н : Н

Общая электронная пара образуется в результате перекрывания s-орбиталей. При этом в области перекрывания орбиталей создается повышенная электронная плотность:

Рассмотрим возникновение ковалентной связи в молекуле фтора. Атом фтора имеет 7 электронов на внешнем энергетическом уровне. При сближении двух атомов происходит перекрывание 2р-орбиталей с неспаренными электронами:

.. .. .. ..

:F∙ + ∙F: → :F : F: F-F

·· ·· ·· ··

Существуют молекулы, в которых между двумя атомами возникают две или три общие электронные пары. Такие ковалентные связи называются тройными, общее их название – кратные связи.

Например, в образовании химической связи молекуле азота участвуют три электрона каждого атома азота:

. . ..

:N: + :N: → :N :: N:

Ковалентной называется связь, осуществляемая одной или несколькими общими электронными парами. В свою очередь ковалентная связь делится на неполярную, т.е. общая электронная пара симметрична относительно атомов. Такая связь образуется при взаимодействии атомов с одинаковой электроотрицательностью; полярную – если взаимодействующие атомы имеют разную электроотрицательность, в данном случае общая электронная пара смешена к атому с большей электроотрицательностью. Например, молекул НF.

В результате смещения электронной пары в молекуле фтороводорода возникает диполь – это система из двух зарядов, равных по абсолютной величине, но противоположных по знаку. Принимают, что атом, к которому смещена общая электронная пара, приобретает некоторый отрицательный дробный заряд, а другой атом – положительный: Н^b+F ^b-

Механизмы образования ковалентной связи

1.Обменный

2.Донорно-акцепторный

1)К обменному механизму относятся случаи, когда в образовании электронной пары от каждого атома участвуют по одному электрону.

Особенность образования соединений по обменному механизму является насыщаемость, которая показывает, что атом образует не любое, а ограниченное число связей, которое зависит от числа неспаренных электронов.

2)Ковалентная связь может образовываться при перекрывании полностью свободной орбитали одного атома и орбитали с неподеленной электронной парой другого атома:

А + :Д → А Д или А-Д

/ /

свободная неподеленная

орбиталь электронная

пара

Акцептор – атом, предоставляющий свободную орбиталь. Донор – атом, предоставляющий электронную пару.

Например, реакция образования катиона аммония:

H H +

.. ..

Н⁺ + :N: H → H :N: H

·· ··

H H

Основные свойства КС – направленность, полярность, насыщенность, длина и энергия. КС между атомами располагается так, чтобы обеспечить максимальное перекрывание электронных облаков, т.е. можно говорить о направленности как свойстве КС. КС характеризуется насыщенностью (кратностью): число химических связей, которые может образовывать атом. О полярности КС говорят, когда КС возникает между атомами разных элементов: общее электронное облако смещено в сторону атома более электроотрицательного элемента.

2) Ионная связь.

Если разность между электроотрицательностями взаимодействующих атомов большая, то происходит переход электронов от атома с меньшей электроотрицательностью к атому с большей электроотрицательностью.

Например, NaCl.

Образующиеся заряженные частицы называются ионами. Химическая связь, образованная за счет электростатического взаимодействия ионов, называется ионной связью.

Химические соединения, в которых осуществляется ионная связь, называются ионными. Все ионные соединения в твердом состоянии являются кристаллическими веществами.

Соединений, в которых существует только ионная связь, практически нет. Всегда между соседними атомами возникает и ковалентная связь.

3)Металлическая связь.

Большинство металлов в твердом состоянии относится к кристаллическим веществам. В узлах кристаллической решетки расположены атомы металла.

Рассмотрим атом натрия, который имеет на внешнем энергетическом уровне 9 орбиталей и 1 электрон, который атом отдает достаточно легко (1s²2s²2p⁶3s¹3p⁰3d⁰). Все девять орбиталей и один электрон внешнего уровня атомы натрия в кристалле металла предоставляют на образование химической связи. Получается, что в кристалле натрия электронов значительно меньше, чем орбиталей. Это позволяет электронам свободно перемещаться, переходя с одной орбитали на другую. Такие подвижные электроны называются электронным газом.

Таким образом, металлическая связь обусловлена образованием электронами всех атомов вещества единого подвижного электронного облака.

Металлическая связь является нелокализованной, т.е. неимеющей определенной направленности: в ней принимают участие все атомы кристалла металла.