Природа и типы химических связей

Природа и типы химических связей
Установление строения атома (модели Резерфорда и Бора) дало возможность детально разработать представления о химической связи. Так в 1916-1918 гг Льюис предложил теорию дублета (связь образуется посредством электронной пары и октета (элемент стремится приобрести электронную конфигурацию инертного газа). 1916г Коссель, 1918-20г Писаржевский разработали ионную теорию.

Природа и типы химических связей
Химическая связь – это сложное электростатическое взаимодействие двух или нескольких атомов, приводящее к образованию устойчивой многоатомной системы (молекулы, радикала, иона, комплекса, кристалла и т.д.).

Природа и типы химических связей
Химическая связь образуется в том случае когда один или несколько электронов попадают в поля притяжения двух или большего числа ядер, что сопровождается понижением потенциальной энергии системы.

r,нм
Изменение потенциальной энергии в системе из двух атомов водорода в зависимости от расстояния между ядрами атомов
0,074
Fпр.= Fотт.
Fпр. >Fотт.
Fпр.< Fотт.
Природа и типы химических связей

Природа и типы химических связей
В зависимости от характера распределения электронной плотности между взаимодействующими атомами различают 3 основных типа химической связи:
ковалентную;
ионную;
металлическую.
Отдельно выделяют водородную связь и межмолекулярное взаимодействие (вандер-ваальсовые силы).

Природа и типы химических связей
Важнейшими характеристиками связи являются ее: энергия, длина, валентный угол.
а) энергия (прочность) – которая определяется количеством энергии, которая выделяется при образовании ее (или затрачивается на ее разрыв); измеряется в кДж/моль;
sp3
валентный
угол 109о28`
sp2
валентный
угол 120о
sp
валентный
угол 180о
Есв(С-С) = 352 кДж/моль
Есв(С=С) = 587 кДж/моль
Есв(sp) = 839 кДж/моль

Природа и типы химических связей
б) длина – расстояние между центрами ядер взаимодействующих атомов нм = 10-9м, А0=10-10м;
Длина связи, нм:
Энергия связи:
25 кДж/моль
25 кДж/моль
10 кДж/моль

Природа и типы химических связей
в) валентный угол – угол между воображаемы-ми прямыми, условно проведенными через ядра атомов

Природа и типы химических связей
Химическая связь между атомами, возникающая за счет образования общей (общих) электронной пары (электронных пар) называется ковалентной.
1. В образовании общей электронной пары могут участвовать только электроны с антипараллельными спинами (подтверждается кривой Гейтлера-Лондона).
2. Ковалентная связь тем прочнее, чем больше область перерывания электронных облаков (подтверждается гибридизацией атомных орбиталей).

Природа и типы химических связей
Существует 2 способа образования ковалентной связи (КС):
а) простой (обменный) – заключается в том, что каждый атом представляет по одному электрону. В результате сближения электронных облаков этих атомов возникает общее 2-х электронное «облако» (общая электронная пара)
H∙ + H∙
H:H

Природа и типы химических связей
б) донорно-акцепторный – заключается в том, что в образовании связи принимают участие атом-донор предоставляющий готовую пару электронов и атом акцептор принимающий эту пару электронов на свою свободную орбиталь
Н:–+Н+
Н:Н
гидрид-ион донор протон акцептор
Неподеленная пара электронов
Донорно-акцепторная связь
Донор
Акцептор
Метиламин
Хлорид
метиламмония

Природа и типы химических связей

Природа и типы химических связей
КС характеризуется:
а) насыщенностью;
б) направленностью;
в) поляризуемостью.

Природа и типы химических связей
Под насыщенностью КС понимают способность атома образовывать только строго ограниченное число таких связей. Максимальная ковалентность атома определяется количеством:
а) неспареных валентных электронов (нормальное или возбужденное состояние) С (карбон)
б) валентных орбиталей В (бор)
в) свободных электронных пар N (нитроген)

Природа и типы химических связей
Насыщаемость ковалентной связи: атомы образуют ограниченное число связей, равное их валентности.

Природа и типы химических связей
Под направленностью КС понимают, то, что максимально глубокое перекрывание валентных орбиталей (электронных облаков) может происходить только по двум определенным направлениям:
а) на линии связывающей ядра атомов (σ - связь)
б) по обе стороны от линии, связывающей ядра атомов (π - связь)

Природа и типы химических связей
σ-связь
а) образуется при перекрывании s и p электронных облаков
б) возможна гибридизация
в) это первая связь которая возникает между двумя атомами (более прочная, чем π-связь).

Природа и типы химических связей
π - связь:
а) образуется при перекрывании р–р электронных облаков по обе стороны линии, связывающей ядра атомов
б) гибридизация невозможна
в) образуется после σ-связи в плоскости (-ях) перпендикулярной оси

Природа и типы химических связей
г) π - связь менее прочная чем σ, но усиливает ее

Направленность ковалентной связи-…
Природа и типы химических связей

Природа и типы химических связей

Природа и типы химических связей
КС может быть неполярной и полярной
Неполярная КС образуется между атомами одного и того же элемента (H2, N2, O2, и т. д.), т.к. считается, что общее электронное облако расположено симметрично в пространстве между ядрами. Однако под действием постоянного движения электронов в очень малый промежуток времени происходит смещение общей электронной плоскости к одному из атомов, который через мгновение меняет свое направление

Природа и типы химических связей
Полярная КС образуется между атомами разных элементов (вода, аммиак, углекислый газ). Для определения степени полярности связи используют понятие электроотрицательность (ЭО) (ЭО по Полингу определяется как свойство атома притягивать к себе общую электронную пару). Количественную характеристику полярности можно получить при сопоставлении ЭО элементов

Природа и типы химических связей
При этом если
ΔЭО=0 – связь неполярная
1,9>ΔЭО>0 – ковалентная полярная
ΔЭО>1,9 – ионная связь
Общее электронное облако (общая электронная пара) в данном случае расположено несимметрично в пространстве, а его смещение ведет к возникновению эффективных зарядов на атомах

Природа и типы химических связей
Такая молекула представляет собой диполь (т. е. систему состоящую из зарядов равных по абсолютной величине, но противоположных по знаку). Мерой полярности связи служит μ – (дипольный момент связи или ЭМД – электрический момент диполя) представляющий
Длина связи
Эффективный заряд

Неполярные молекулы
Молекула неполярна, если суммарный μ всех связей = 0.
Природа и типы химических связей

Полярные молекулы
Природа и типы химических связей

Дипольный момент молекулы зависит:
∙от полярности связей;
∙от геометрии молекулы;
∙от наличия неподелённых пар электронов.
Природа и типы химических связей

Поляризуемость
Поляризуемость ковалентной связи – это …
Полярярностью и поляризуемостью обусловленно межмолекулярное взаимодействие, например,
Природа и типы химических связей

HCl HBr HI
ΔЭО: 0,9 0,7 0,5
Полярность связи уменьшается
Поляризуемость увеличивается
Природа и типы химических связей

Природа и типы химических связей
При устранении внешнего воздействия диполь исчезает. При длительном воздействии его может произойти полный разрыв молекул с образованием:
а) ионов (гетеролитический разрыв)
б) радикалов (гомолитический разрыв)

Природа и типы химических связей
Теория гибридизации была предложена в 1930 году Лайнусом Полингом и является усовершенствованным методом валентных связей.
Гибридизацией называется изменение формы и энергии различных орбиталей одного атома приводящее к образованию одинаковых гибридных орбиталей

Природа и типы химических связей
sp3-гибридизация на примере СН4 (именно рассмотрение строения молекулы СН4) привело Полинга к концепции гибридизации

Природа и типы химических связей
sp2 гибридизацию можно рассмотреть на примере соединения трехвалентного В, BF3
sp2 гибридизация характерна для алкенов

Природа и типы химических связей
sp гибридизацию можно рассмотреть на примере молекулы BeCl2
sp гибридизация характерна для алкинов

Природа и типы химических связей
Химическая связь образованная за счет электростатического взаимодействия ионов называется ионной связью.
Способность элементов образовывать простые ионы обусловлена электронной структурой их атомов и может быть оценена величиной энергии ионизации и сродства к электрону.

Природа и типы химических связей
Механизм образования
Na 1s22s2p63s1 – e Na+←2s22p6 электростатические силы взаимодействия
Cl 1s22s2p63s2p5+e Cl–←3s23p6 или ионная связь

Природа и типы химических связей
Ионные соединения в целом представляет собой гигантскую ассоциацию ионов противоположных знаков. Поэтому химические формулы ионных соединений типа NaCl, KF и т. д. отражают лишь простейшие соотношения между числом атомов, элементов, входящих в состав такой ассоциации.
В обычных условиях ионные соединения являются кристаллическими веществами, но только в идеальном кристалле вокруг каждого иона расположено определенное число противоионов, что сопровождается компенсацией зарядов.

Природа и типы химических связей
Все металлы (за исключением Hg) являются кристаллическими веществами. Металлическая связь обусловлена образованием всех атомов вещества единого подвижного электронного облака. Металлическая связь характерна только для атомов Ме и обусловлена образованием валентными электронами всех атомов вещества единого подвижного электронного облака

Природа и типы химических связей
Для металлов характерно наличие:
а) небольшого числа валентных ;
б) большого числа свободных валентных орбиталей;
в) слабой связи между валентными и ядром (что подтверждается низкими значениями Еион);

Природа и типы химических связей
Водородная связь
это связь между молекулами или частями молекулы в состав которых входит атом Н связанный с сильно ЭО элементом. Т. об. водородная связь вторична, потому и иногда не выделяет в отдельный тип связи, а относят к межмолекулярным взаимо-действиям.
H–Fσ–···Hσ+–Fσ–···Hσ+–Fσ+

Взаимодействие между молекулами НХ:
сильно ЭО элемент: F, O, N, (Cl, S )
Природа и типы химических связей

Механизм образования Н-связи:
- Электростатическое взаимодействие (диполь-дипольное)
-Донорно-акцепторное взаимодействие:
-направленность
-насыщаемость
Природа и типы химических связей

Есвязи, кДж/моль
ковалентная
100-400
водородная
4-50
межмолекулярная
0,1 -5
Энергия Н-связи
Природа и типы химических связей

Природа и типы химических связей
Энергия трех типов связи.
Видно, что энергия водородной связи много меньше, чем химической, но почти на порядок превышает энергию ван-дер-ваальсовых взаимодействий.

Природа и типы химических связей
Водородная связь может быть 2 типов:
- межмолекулярная. H2O, HF, NH3 спирты, карбоновые кислоты и т. д.

Природа и типы химических связей
- внутримолекулярные (аминокислоты, белки, амиды кислот, нитрофенолы и т. д.)