Химическая связь

Строение химических соединений в основном определяется природой химической связи.

Химическая связь возникает при взаимодействии атомов, обусловливающем образование химически устойчивой двух- или многоатомной системы (молекулы, кристалла и др.). Образование химической связи связано с общим понижением энергии системы взаимодействующих частиц.

Важнейшими характеристиками химической связи являются энергия, длина, углы между связями в молекуле.

Энергия связи – это количество энергии, выделяющейся при образовании химической связи. Обычно ее выражают в килождоулях на 1 моль образовавшегося вещества. Например, Е^св(HF) = 536 кДж/моль; Е^св(HCl) = 432 кДж/моль; Е^св(HBr) = 360 кДж/моль; Е^св(HI) = 299 кДж/моль. Чем больше энергия связи, тем прочнее связь.

Длина связи – это расстояние между ядрами атомов в молекуле. Длины связей обусловлены размерами реагирующих атомов и степенью перекрывания их электронных облаков.

По способу образования различают три основных вида химической связи: ионную, ковалентную, металлическую.

Ковалентная связь

Химическая связь между атомами, осуществляемая обобществленными электронами, называется ковалентной связью. Она возникает между одинаковыми атомами, образующими газообразные двухатомные молекулы, а также в конденсированном состоянии с участием атомов неметаллов.

Существует два основных метода описания ковалентной связи:

1. Метод валентных связей (ВС).

2. Метод молекулярных орбиталей (МО).

Оба метода взаимно дополняют и не исключают друг друга, так как используют различные способы приближения.

Метод валентных связей

По теории ВС валентность равна числу образованных общих пар электронов. Согласно обменному механизму, валентность элемента определяется числом содержащихся в атоме неспаренных электронов в основном их возбужденном состоянии.

Атомы образуют ограниченное число связей, равное их валентности. Это соответствует насыщаемости ковалентной связи.

В зависимости от числа неспаренных электронов, атомы могут образовать одну, две или три ковалентные связи, т.е. ковалентная связь характеризуется кратностью.

Наиболее прочные химические связи возникают в направлении максимального перекрывания АО. Поскольку атомные орбитали имеют определенную форму, их максимальное перекрытие возможно при определенной пространственной ориентации. Поэтому ковалентная связь характеризуется направленностью.

В зависимости от направления перекрывания различают ,  и -связи.

 - связь образуется при перекрывание АО вдоль оси, соединяющей ядра атомов.

 - связь образуется за счет перекрывания по обе стороны от оси, соединяющей ядра атомов.

 - связь возникает при перекрывания двух d-орбиталей, расположенных в //-ных плоскостях.

Гибридизация АО также влияет на направленность ковалентной связи.

Гибридизация – это смешивание АО разных подуровней атома, электроны которых участвуют в образовании эквивалентных химических связей.

В зависимости от типа гибридизации гибридные орбитали имеют определенное положение в пространстве.

sp - линейные, угол 180

sp² - треугольные, угол 120

sp³ - треугольные, угол  109

sp³d - треугольно бипирамидальные, угол 90 и 120

sp³d² - октаэдр, угол 90.

Общие пары электронов в молекуле смещаются к более электроотрицательному атому, таким образом ковалентная связь обладает свойством полярности. Молекулы, образованные одинаковыми атомами (Cl₂, H₂ и др.), имеют неполярные связи. Чем больше разность электроотрицательностей атомов, образующих химическую связь, тем она более полярна.

В зависимости от характера распределения электронной плотности между ядрами, молекулы подразделяются на полярные и неполярные. В неполярных молекулах центр тяжести положительных и отрицательных зарядов, полученных за счет полярности химических связей, совпадают. В полярных молекулах в одной части молекул преобладает положительный, а в другой отрицательный заряды.

Для образования полярной молекулы необходимо, чтобы молекула с ковалентными полярными связями была несимметрична. Молекулы N₂ (линейная) и CCl₄ (тетраэдрическая) симметричны, поэтому неполярны; молекула Н₂О - угловая, несимметрична, поэтому полярна.

Например,

неполярная молекула	полярная молекула
BH3	NH3
Тип гибридизации - sp2	Тип гибридизации – sp3
Форма молекулы – правильный треугольник	Форма молекулы - пирамида

Полярные молекулы являются диполями.

Кроме обменного механизма, при котором каждый атом, образующий химическую связь, поставляет неспаренные электроны, существует также донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи, при котором один из атомов (донор) поставляет пару электронов, а другой (акцептор) – пустую орбиталь.

Например, при образовании иона аммония (NH₄⁺) реализуются оба механизма образования ковалентной связи.

Электронная формула атома азота ₇N 1s²2s²2p³ На последнем уровне он имеет пять электронов. Три из них - неспаренные, они принимают участие в образовании химических связей по обменному механизму. Пара электронов азота участвует в донорно-акцепторном взаимодействии с ионом Н⁺, не имеющем электронов на 1s-орбитали (азот выступает в качестве донора, а ион Н⁺ - акцептора электронов).

Метод валентных связей позволяет различить понятия валентность и степень окисления.

Валентность атома характеризует способность атома образовать химические связи и равна числу химических связей, образованных атомом.

Степень окисления – это условный заряд на атоме в молекуле, если предположить, что общие пары электронов полностью смещены к более электроотрицательному атому.

Например, валентность азота в молекуле NH₃ равна III (атом азота образует три связи с атомами водорода). Т.к. электроотрицательность азота больше, чем электроотрицательность водорода, то общие пары электронов смещены в сторону азота, придавая ему отрицательный заряд (степень окисления равна -3). Валентность азота в ионе NH₄⁺ равна IV. Три электрона водорода смещены в сторону азота, поэтому степень окисления равна -3.

Метод ВС дает теоретически обоснованные структуры многих молекул и позволяет предсказывать их свойства. Согласно методу ВС химическая связь образуется за счет обобществленной паре электронов, для которых каждый из атомов предоставляет по 1 электрону. Поэтому метод ВС не может объяснить существование молекулярного иона H₂⁺, имеющего только один электрон, а также факт упрощения связи при отрыве электрона от некоторых молекул, например: F₂ и F₂⁺.

С помощью этого метода нельзя объяснить парамагнитные свойства некоторых молекул, например: О₂ и В₂.

Парамагнитные молекулы обусловлены наличием неспаренных электронов. Согласно методу ВС, молекулы должна бать диамагнитны.