3 Химическая связь и строение молекул:

Химическая связь - это взаимодействие двух атомов, осуществляемое путем обмена электронами. При образовании химической связи атомы стремятся приобрести устойчивую восьмиэлектронную (или двухэлектронную) внешнюю оболочку, соответствующую строению атома ближайшего инертного газа. Различают следующие виды химической связи:ковалентная (полярная и неполярная; обменная и донорно-акцепторная), ионная, водородная и металлическая.

Длина связи – расстояние между ядрами атомов, образующих связь.

Энергия связи определяется количеством энергии, которое необходимо для разрыва связи, измеряется в кДж/моль.

Чем больше перекрывание атомных орбиталей, тем больше энергия связи, тем прочнее химическая связь.

Направленность ковалентной связи обусловливает пространственную структуру молекул, т.е. их геометрию (форму).

Насыщаемость – способность атомов образовывать ограниченное число ковалентных связей. Например, атом водорода (один неспаренный электрон) образует одну связь, атом углерода – не более четырех.

Кратность (порядок) связи – число электронных пар, участвующих в образовании связи.

Энергия тройной связи выше, а длина связи ниже, чем энергии и длины простой и двойной связей.

КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ - это связь, возникающая между атомами за счет образования общих электронных пар (Например, H2, HCl, H2O, O2).

 

По степени смещенности общих электронных пар к одному из связанных ими атомов ковалентная связь может быть полярной и неполярной.

А) КОВАЛЕНТНАЯ НЕПОЛЯРНАЯ СВЯЗЬ (КНС) - образуют атомы одного и того же химического элемента - неметалла (Например, H2, O2, О3).

Б) КОВАЛЕНТНАЯ ПОЛЯРНАЯ СВЯЗЬ (КПС) - образуют атомы разных неметаллов, отличающихся по значениям электроотрицательности (Например, HCl, H2O). 

ИОННАЯ СВЯЗЬ (ИС) –  образуется между атомами металлов и неметаллов, т.е. между атомами, резко отличающимися друг от друга по значениям электроотрицательности. (Например, NaCl, K2O, LiF)

 Механизм образования связи.

     Атом неметалла забирает наружные электроны у атома металла и превращается в анион (отрицательно заряженный ион). Атом металла теряет электроны и превращается в катион (положительно заряженный ион). Ионы связаны электростатическими силами. Происходит полная отдача (принятие) валентных электронов, перекрывание облаков отсутствует, обобществления электронов не наблюдается.

Металлическая связь – это связь, которую осуществляют свободные электроны между катионами в металлической кристаллической решётке.

Водородная связь - это взаимодействие между двумя электроотрицательными атомами одной или разных молекул посредством атома водорода: А−Н ^... В (чертой обозначена ковалентная связь, тремя точками - водородная связь).

Водородная связь обусловлена электростатическим притяжением атома водорода (несущим положительный заряд δ+) к атому электроотрицательного элемента, имеющего отрицательный заряд δ−. В большинстве случаев она слабее ковалентной, но существенно сильнее обычного притяжения молекул друг к другу в твердых и жидких веществах. В отличие от межмолекулярных взаимодействий водородная связь обладает свойствами направленности и насыщаемости, поэтому ее нередко считают одной из разновидностей ковалентной химической связи. Она может быть описана с помощью метода молекулярных орбиталей как трехцентровая двухэлектронная связь.

Одним из признаков водородной связи может служить расстояние между атомом водорода и другим атомом, ее образующим. Оно должно быть меньше, чем сумма радиусов этих атомов. Чаще встречаются несимметричные водородные связи, в которых расстояние Н ^... В больше, чем А−В. Однако в редких случаях (фтороводород, некоторые карбоновые кислоты) водородная связь является симметричной. Угол между атомами во фрагменте А−Н ^... В обычно близок к 180^o. Наиболее сильные водородные связи образуются с участием атомов фтора. В симметричном ионе [F−H−F]⁻ энергия водородная связи равна 155 кДж/моль и сопоставима с энергией ковалентной связи. Энергия водородная связи между молекулами воды уже заметно меньше (25 кДж/моль).

Неподеленная электронная пара занимает больший объем, чем пара электронов на орбитали, участвующей в образовании ординарной связи. Сила отталкивания электронных пар в данной валентной оболочке понижается в следующем порядке: неподеленная пара — неподеленная пара (Е — Е) > неподеленная пара — связывающая пара (Е—X) > связывающая пара — связывающая пара (X—X).

Механизмы образования ковалентной связи

Cвязь между атомами возникает при перекрывании их атомных орбиталей с образованием молекулярных орбиталей (МО). Различают два механизма образования ковалентной связи.

• ОБМЕННЫЙ МЕХАНИЗМ - в образовании связи участвуют одноэлектронные атомные орбитали, т.е. каждый из атомов предоставляет в общее пользование по одному электрону

• ДOНОРНО-АКЦЕПТОРНЫЙ МЕХАНИЗМ - образование связи происходит за счет пары электронов атома-донора и вакантной орбитали атома-акцептора

Пространственное строение молекул играет немалую роль в химических реакциях, облегчая или затрудняя их протекание. Изучением этого вопроса занимается раздел химии, называемый стереохимией. 

Пространственное строение молекул изучает наука, называемая стереохимией, кристаллическое строение вещества - кристаллохимия. Для исследования строения молекул и кристаллов широко используются методы рентгенографии и электронографии. 

Пространственное строение молекул зависит от природы химической связи, возникающей между атомами, а следовательно, структуры их электронной оболочки. Так как в химической связи могут участвовать электроны s -, p -, d - и f - типа от каждого из взаимодействующих атомов, то в зависимости от типа и числа электронов, а также от возможности образования гибридных связей зависит строение молекул. 

Пространственное строение молекул может быть выявлено различными методами. К их числу относятся, например, исследование вращательных спектров молекул в дальней инфракрасной области, определение электрических моментов диполей и некоторые другие. 

Пространственное строение молекулы, обладающей определенными заместителями и двойной связью, может быть таково, что оно будет препятствовать приближению этой молекулы к поверхности катализатора. 

Гибридизация – процесс смешения разных, но близких по энергии, орбиталей данного атома, с возникновением  того же числа новых гибридных орбиталей, одинаковых по форме и энергии.

 В зависимости от числа вступивших в гибридизацию орбиталей атом углерода может находиться в одном их трёх состояний гибридизации: sp3,sp2, sp.

 sp3 – гибридизация:  происходит смешение одной s и трёх p орбиталей. Образуются четыре одинаковые гибридные орбитали, расположенные относительно друг друга под тетраэдрическим углом 109˚28`. Образуются 4 ковалентные σ – связи. 

sp2 – гибридизация:  происходит смешение одной s и двух p орбиталей. Образуются три одинаковые гибридные орбитали, они расположены относительно друг друга под углом 120˚,  лежат в одной плоскости и стремятся к вершинам треугольника. Образуются 3 ковалентные σ – связи.

sp – гибридизация:  происходит смешение одной s и одной p орбитали. Образуются две одинаковые гибридные орбитали, они расположены относительно друг друга под углом 180˚,  лежат на одной линии. Образуются 2 ковалентные σ – связи. 

Направленность гибридных орбиталей в пространстве,  а следовательно, и геометрическое строение молекул зависят от типа гибридизации. На форму молекулы в пространстве влияет направленность только σ – связей.