Водородная связь

Водородная связь образуется в результате электростатического вза­имодействия между атомом водорода, несущим дробный положитель­ный заряд, и неподеленной парой электронов другого атома. Обычно такие атомы водорода называют активными.

Водородную связь графически изображают тремя точками:

Водородная связь бывает внутримолекулярная и межмолекулярная. примером соединений с внутримолекулярной водородной связью могут быть салициловый альдегид о-хлорфенол.

Межмолекулярные водородные связи (МВС) возникают между дву­мя или большим числом молекул с образованием димеров или ассоциатов:

Водородная связь тем сильнее, чем более электроотрицателен эле­мент, с которым связан атом водорода.

Прежде чем говорить о строении молекулы и о свойствах различ­ных классов соединений, остановимся на строении атома с точки зре­ния квантово-механических представлений.

Современная теория химической связи осно­вана на квантово-механическом рассмотрении молекулы как систе­мы из электронов и атомных ядер.

Известно, что электро­ны представляют собой вил материи, обладающий одновременно свой­ствами частицы и электромагнитной волны.

Согласно квантовой теории состояние электронов в атоме описы­вается с помощью четырех квантовых чисел: n — главное квантовое число, l — азимутальное квантовое число, m — магнитное квантовое число и s — спиновое квантовое число.

Электрон в атоме находится на определенной атомной орбитали. Атомная орбиталь — это область пространства, внутри которой наибо­лее вероятно нахождение электрона.

Состояние электрона определяется расстоянием электронного облака от ядра, его формой, ориентацией в пространстве и вращени­ем электрона вокруг собственной оси.

В зависимости от расстояния электрона от ядра атома изменяется траектория его движения, то есть форма атомной орбитали. Существу­ют s,p,d,f-атомные орбитали, которые отличаются друг от друга запа­сом энергии.

Геометрическая форма s-,p- и d-атомных орбиталей

Для атомных орбиталей s -типа характерна сферическая симмет­рия, для электронов p-типа существуют три одинаковых по энергии гантелеобразной формы орбитали, которые отличаются друг от друга лишь ориентацией в пространстве. В каж­дой из них существует узловая область р-орбитали, где вероятность нахождения электрона равна нулю. Для d-атомных орбиталей суще­ствуют пять более сложных геометрических форм

Электроны s -орбитали ближе находятся к атомному ядру и с боль­шей силой притягиваются к нему, чем р-электроны, которые более удалены и имеют большую подвижность. Энергия электрона падает в следующем ряду:

f > d>р>s

Атомная орбиталь, не занятая электронами, называется вакантной и условно обозначается как □.

ГИБРИДИЗАЦИЯ АТОМНЫХ ОРБИТАЛЕЙ

Согласно квантово-механическим представлениям о химической связи число образуемых атомом ковалентных связей определяется ко­личеством одноэлектронных атомных орбиталей, то есть количеством неспаренных электронов. Однако в действительности атомы элемен­тов образуют большее число ковалентных связей, чем содержат неспа­ренных электронов на внешнем энергетическом уровне. Например, атом углерода в основном состоянии имеет два неспаренных электро­на (Is² 2s² 2р²), а образует четыре ковалентных связи. Это можно объяс­нить возможностью перехода 2s-электрона на 2р-подуровснь (Is² 2s 2р³).

Таким образом, на внешнем энергетическом уровне атома углеро­да находятся четыре неспаренных электрона: один - s и три - р. Посколь­ку химические связи образуются валентными электронами, то связи, например, в молекуле метана СН₄ должны были бы быть неравноцен­ными: одна связь С—Н образована s -электроном, а три остальные — р. В действительности в молекуле метана все связи совершенно равно­ценны. Для объяснения этого факта в квантовой механике вводится понятие о гибридизации атомных орбиталей (АО). Слово гибридиза­ция означает взаимодействие, перекрывание, перемешивание. При взаимодействии одного s-электронного облака с тремя р-электронными облаками образуются четыре качественно новых гибридизирован­ных электронных облака или атомные орбитали:

Is + Зр = 4sp³

Таким образом, из нескольких различных по форме и близких по энергии АО путем комбинирования (смешивания, сочетания) обра­зуется такое же количество одинаковых по форме и равных по энер­гии гибридизованных атомных орбиталей:

Гибридизованные орбитали по сравнению с негибридизованными более выгодны геометрически, т. к. позволяют увеличить плошадь перекрывания с орбиталями других атомов, что ведет к образованию более прочных связей. Результатом перекрывания большей доли гиб­ридной орбитали с орбиталями других атомов является ковалентная связь.

Атом углерода характеризуется тремя видами гибридизации с уча­стием s- и р-орбиталей, каждому из которых соответствует определен­ное валентное состояние атома.

Первое валентное состояние углерода (sp³-гибридизация).

Образование σ-связи.

Состояние sp³-гибридизации – результат взаимодействия 1s- и 3 р-атомных орбиталей.

Схема образования и расположение в пространстве

гибридных sp³-орбиталей

Четыре равноценные орбитали между собой образуют угол 109°28' и ориентированы в пространстве от центра правильного тетраэдра к его вершинам. Такое размещение связано со стремлением АО к мак­симальному удалению друг от друга за счет взаимного электростати­ческого отталкивания. Расположение атомных орбиталей определяет название состояния sp³ гибридизации как тетраэдрическое.

Доля s-облака в каждой из четырех гибридных sр³-орбиталей рав­на '/₄. В результате перекрывания таких орбиталей с другими орбита­лями (s, р, d и гибридными sp³, sp², sp) вдоль линии, соединяющей цен­тры атомов, образуются только простые ковалентные связи — σ (греч. «сигма») связи. Перекрывание атомных орбиталей вдоль линии, соеди­няющей центры атомов, называют σ-перекрыванием или осевым, так как максимальная электронная плотность при этом находится на оси, соединяющей два ядра.

Состояние sp³-гибридизации характерно для алканов. Рассмотрим образование σ-связей на примере этана.

Образование σ-связей в молекуле этана

В этане в результате осевого s- sp³-перекрывания образуются шесть С-Н σ-связей, а за счет перекрывания sp³- sp³-орбиталей — одна С-С связь.

σ-Связи во многих органических соединениях образуются преиму­щественно за счет перекрывания гибридизованных sp³; sp², sp - орбиталей.