Химическая связь

Теория химической связи Бертоле: в основе химической связи лежит чисто гравитационное притяжение атомов
1748-1822
Теория химической связи Берце-лиуса: между атомами в молеку-лах и кристаллах действуют си-лы электростатического притяже-ния
1799-1848

Современная теория химической связи
( Г. Льюис, 1916)
Возникновение химической связи обусловле-но стремлением атомов элементов к «элек-тронному октету» - электронной конфигура-ции ближайшего инертного газа.
При достраивании электронных оболочек происходит перераспределение электронной плотности (электронов) между двумя или нес-колькими центрами (атомами элементов) и возникновение общей для этих центров облас-ти повышенной электронной плотности, ко-торая притягивается к соответствующим центрам и удерживает их друг с другом.

Радиус атома водорода –
0,53 10-10 м, а расстояние
между центрами атомов в
молекуле водорода –
0,73 10-10 м.

Современная теория химической связи базируется на трех основных методах:
метод валентных связей описывает химическую связь чисто качественно, трактуя образование ее как возник-новение общей пары электронов
метод молекулярных орбиталей описывает химическую связь количественно; базируется на рассмотренных нами принципах построения электронных орбиталей (принцип запрета Паули, принцип минимальной энергии, правило Гунда)
метод отталкивания электронных пар (метод валентных углов) позволяет получить представление о простран-ственной конфигурации молекул

4.2. Типы химических связей
Тип химической связи определяется характером распре-деления делокализованной электронной плотности меж-ду центрами образующих связь атомов
Относительная электроотрицательность (χ) – это способность атома элемента оттягивать на себя электроны, осуществляющие химическую связь
По Полингу:
F……..O………..Ti………………Li……Cs
4,1…..3,5………1,32……………1.01…0,86

Cs+ F-
Δχ= 4,1-0,86 = 3,24
Химическая связь
Ковалентная
0 ≤ Δχ ≤ 3,5 (1,8-2)
Осуществляется за счет
общей пары электронов
Ионная
Δχ > 3,5 (1,8-2,0- условно ионная)
Осуществляется за счет
электростатического притяжения
ионов
Полярная
3,5 (1,8-2)>Δχ>0
Неполярная
Δχ=0

Электроны, принимающие участие в образовании связи называются валентными.
Na 1s22s22p63s1
Mg 1s22s22p6 3s2
O 1s22s22p4
As 1s22s22p63s23p64s23d104p3
Sc 1s22s22p63s23p64s23d1
Mo 1s22s22p63s23p64s23d104p6 5s14d5
Pm 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s25d14f4
Eu 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s25d14f6
4.3. Механизм образования ковалентной связи
У s- и р-элементов валентными являются электроны
внешнего энергетического уровня.
У d- и f- элементов – s-электроны внешнего и d-электроны
предвнешнего уровня.

По обычному механизму в обра-зовании химической связи прини-мают участие неспаренные ва-лентные электроны с противо-положными спинами.
По донорно-акцепторному механизму в образовании химической связи принимают участие свободная орбиталь
одного атома и неподеленная пара электронов другого

В ряде случаев с целью увеличения валентных возмож-ностей перед образованием химической связи атом перехо-дит в «возбужденное состояние». При этом происходит «распаривание» электронов на валентном уровне.
В → В*
B: 2s22p1
Энергия, поглощенная при переходе в возбужденное состояние полностью
компенсируется энергией, которая выделяется при образовании химичес-
кой связи
S → S* → S**
S:3s23p4
S*:3s23p33d1
S**:3s13p33d2
В max = 3
Вmax =6
B*: 2s12p2

Переход электронов при «возбуждении» атома возможен только в пределах одного энергетического уровня. Независимо от порядка заполнения электронами орбиталей «распариваются» электроны только внешнего электрон-ного уровня
Ti: 3d24s2
Ti*: 3d24s14p1
Fe: 3d64s2
Fe*: 3d64s2
Вmax =4
Вmax =6
Способность атома элемента образовывать химическую связь назы-
вается валентностью. Число неспаренных электронов у электрона
отвечает его валентности.

Степень окисления – это условный заряд, который приоб-рел бы атом, если бы валентная пара электронов полнос-тью перешла бы атому более электроотрицательного элемента.
HCl
N2
H 1s1, валентность 1, Χ=2,1
Сl …3s23p5, Χ=3, валентность 1,
Степень окисления водорода +1
Степень окисления хлора -1
N2 … 2s22p3
Валентность 3,
Степень окисления 0

4.4. Параметры и свойства ковалентной связи
Основные параметры ковалентной связи:
1. Длина связи l –
это расстояние между яд-
рами атомов, образу-
ющих связь.

2. Кратность связи определяется количеством электронных
пар, осуществляющих связь
3. Энергия связи – это энер-
гия, которую нужно затра-
тить на разрушение связи
Н
+ Н
→ Н-Н кратность 1
О
+ О
→ О=О кратность 2
N
+ N
→N≡N кратность 3

Основные свойства ковалентной связи
1. Насыщаемость: одна орбиталь атома с неспаренными электронами может принимать участие в образовании только одной связи.
2. Направленность связи обусловлена определенной ориентацией связи в пространстве
σ-связь: область максимальной
электронной плотности лежит в
плоскости, на которой распола-
гаются ядра атомов
π-связь: область максимальной
электронной плотности лежит в
плоскости, перпендикулярной той,
на которой располагаются ядра
атомов
3. Поляризуемость связи – способность молекулы с неполярной
связью становиться полярной под действием внешнего поля.

Основные свойства ионной связи
Ионная связь ненасыщаемая и ненаправленная
Cs+
F-

4.5. Гибридизация орбиталей. Геометрическая форма молекул
В молекуле все связи, независимо от того, каким электронами они образованы, энергетически равноценны. Энергетическая равноценность химических связей объясняется тем, что их образованию может предшествовать изменение валентных орбиталей атома: исходные неравноценные атомные орбитали как бы «перемешиваясь», образуют энергетически равноценные орбитали.
В молекуле BeF2 бериллий – в возбужденном состоянии: Be* 2s12p1
+
=
+
S-орбиталь
р-орбиталь
Две sр-орбитали

При гибридизации происходит перераспределение электронной плотности, которое требует затрат энергии.
В результате гибридизации электронное облако вытягивается по направлению к взаимодействующему атому , благодаря чему увеличивается его перекрывание с электронными облаками последнего. Это приводит к образованию более прочной связи и следовательно к дополнительному выделению энергии, которое компенсирует затраты энергии на гибридизацию.
В гибридизации принимают участие неспаренные электроны, образующие σ-связь и неподеленные пары электронов, находящиеся на внешнем электронном уровне.

Характер гибридизации
BeF2 - бериллий 2-валентный, находится в возбужденном состоянии
Be …2s22p0
BF3 - бор 3-валентный, находится в возбужденном состоянии
B …2s22p1,
sp-гибридизация
2s
2p
2s
2p
sp2-гибридизация
NH3 – азот 3-валентный, находится в нормальном состоянии
N …2s22p3
sp3-гибридизация
C2H2 HC≡CH – углерод 4-хвалентный, находится в возбужденном состоянии.
В тройной связи одна-σ-связь и две π-связи.
π π
sp-гибридизация
Be* …2s12p1
B* …2s12p2
С …2s22p2
C*…2s12p3

Геометрическая форма молекул
Гибридные орбитали представляют собой участки повышенной электронной плотности. Они стремятся оттолкнуться друг от друга на максимально возможный угол.
Если в гибридизации орбиталей не принимают участие неподеленные пары электронов центрального атома, форма молекул соответствует приведенной в таблице и молекула неполярна.

форма - пирамидальная
форма – плоская, угловая
Диполь- это система из двух равных по величине,
но противоположных по знаку зарядов
q - заряд диполя;
l – длина диполя
μ = q l; μ – дипольный момент
q
l
Если в гибридизации
орбиталей принимают
участие неподеленные
пары электронов цен-
трального атома, фор-
ма молекулы меняется
и молекула становится
полярной, превращается
в диполь.

HCl
C6H6
-
Полярная молекула воды
индуцирует диполь в непо-
лярной молекуле бензола
C6H6
В неполярной молекуле на мгновения образуются диполи за счет мгновенного смещения относительно друг друга центров положительного и отрицательного зарядов

4.6. Межмолекулярные взаимодействия
Возникают между мо-лекулами, одна из ко-торых обладает непо-леленной парой элек-тронов, а другая – свободной орбиталью
Е: 6-12...200 кДж/моль
Образуется между молекулами
соединений, которые содержат
атом водорода и атом элемента
с высокой электроотрицатель-
ностью (F, O и N).
Е: 8-40 кДж/моль
Силы электростатического
взаимодействия между мо-
лекулами и ионами
Е: 8-16 кДж/моль
Межмолекулярные
взаимодействия
Донорно-акцепторное
Водородная связь
Силы
Ван-дер-Ваальса

Взаимодействие двух
постоянных диполей
или постоянного ди-
поля и иона
Взаимодействие постоян-
ного диполя и иона с
неполярной молекулой
Взаимодействие двух
мгновенных диполей
(неполярных молекул)
Энергия взаимодействия убывает
При растворении веществ друг в друге молекулы одного вещества равномерно распределяются между молекулами другого. Поэтому чем ближе энергии меж-молекулярного взаимодействия, характерные для растворителя и растворяе-мого вещества, тем лучше они растворяются друг в друге. Подобное раство-ряется в подобном.
Силы
Ван-дер-Ваальса
Ориентационное
взаимодействие
Индукционное
взаимодействие
Дисперсионное
взаимодействие

Практическое использование вопросов, связанных с межмолекулярными взаимодействиями при добыче нефти и газа.
1. Осушка природного газа селективными растворителями
Природный газ: СnH2n+2 (неполярные молекулы). ММВ – дисперсионное
Диэтиленгликоль (ДЭГ): (СН2ОН)2 (полярные молекулы, содержат группу ОН). ММВ – ориентационное взаимодействие + водородная связь
Влага: Н2О (полярные молекулы, содержат группу ОН). ММВ – ориентационное взаимодействие + водородная связь
При обработке ДЭГом влажного газа ДЭГ избирательно растворяет воду и освобождает от нее природный газ.