Способы перекрывания электронных орбиталей
Лекция 8
Понятие о химической связи. Ковалентная химическая связь.
Молекулы химических веществ представляют собой сложную систему атомных ядер и электронов. Атомы в молекуле удерживаются преимущественно силами электростатического характера. В этом случае говорят, что они связаны химической связью. Химическая связь – это взаимодействие между частицами, за счет электростатических сил притяжения. Химическая связь осуществляется s- и p-электронами внешнего и d-электронами предпоследнего уровня.
Различают три основных типа химических связей: ковалентная, ионная и металлическая. Также существуют меж молекулярные химические связи: водородная и Ван – дер – Ваальсовы силы.
При характеристике связей используют следующие параметры:
1. Длина связи – это расстояние между ядрами атомов, соединенных связью. Ее можно измерить экспериментально.
2. Энергия связи определяет прочность химической связи. Энергия связи является той энергией, которая необходима для того, чтобы разорвать связь и развести атомы на бесконечное расстояние. Энергия связи изменяется в очень широких пределах.
3. Полярность связи показывает, насколько электронная плотность смещена к одному из атомов. Способность атома смещать к себе электронную плотность химической связи называют электроотрицательностью.
4. Кратность связи – это число электронных пар, осуществляющих химическую связь.
Химическими связями обусловлены строение, реакционная способность и химические свойства всех веществ. Любая химическая реакция сводится к разрыву старых и образованию новых химических связей. Склонность к разрыву зависит от энергии связей, реакционная способность молекулы – от распределения положительных и отрицательных зарядов в ней, которое определяется полярностью связей. Длины связей задают геометрическую форму молекул и формируют пространственные эффекты в некоторых химических реакциях. Таким образом, точное описание свойств химических связей является важнейшей задачей химии.
Ковалентная химическая связь
Ковалентная связь – это связь, образованная за счет общий электронных пар. Механизм возникновения ковалентной связи рассмотрим на примере образования молекулы водорода.
Ядро свободного атома водорода сферическим симметричным электронным облаком, образованным 1s-электроном. При сближении атомов до определенного расстояния происходит частичное перекрывание их электронных облаков (орбиталей). Итак, ковалентная связь образуется в результате перекрывания электронных облаков атомов, сопровождающегося выделением энергии. Если у сблизившихся до касания атомов водорода расстояние между ядрами составляет 0,106 нм, то после перекрывания электронных облаков (образование молекулы Н₂) это расстояние составляет 0,074 нм. Обычно наибольшее перекрывание электронных облаков осуществляется вдоль линии, соединяющей ядра двух атомов.
Химическая связь тем прочнее, чем больше перекрывание электронных орбиталей. В результате возникновения химической связи между двумя атомами водорода каждый из них достигает электронной конфигурации атома гелия.
Изображение химических связей:
1. С помощью электронов в виде точек, поставленных у химического знака элемента:
2. С помощью квантовых ячеек (орбиталей), как размещение двух электронов с противоположными спинами в одной молекулярной квантовой ячейке:
3. Часто, особенно в органической химии, ковалентную связь черточкой, которая символизирует пару электронов (Н – Н).
Ковалентная связь в молекуле хлора также осуществляется с помощью двух общих электронов, или электронной пары:
Каждый атом хлора имеет три неподелённые пары и один неспаренный электрон. Образование химической связи происходит за счет неспаренных электронов каждого атома. Неспаренные электроны связываются в общую пару электронов, называемую также поделенной парой.
Если между атомами возникла одна ковалентная связь (одна общая электронная пара), то она называется одинарной; если больше, то кратной двойной (две общие электронные пары), тройной (три общие электронные пары).
Одинарная связь изображается одной черточкой, двойная - двумя, тройная – тремя. Черточка между двумя атомами показывает, что у них пара электронов обобщена, в результате чего и образовалась химическая связь.
Итак, в молекуле хлора каждый его атом имеет завершенный внешний уровень из восьми электронов (s2p6), причем два из них (электронная пара) в одинаковой мере принадлежат обоим атомам.
Схема образования химической связи в молекуле хлора
Различают две разновидности ковалентной связи: полярную и неполярную.
В случае неполярной ковалентной связи электронное облако, образованной общей парой электронов, распределяется в пространстве симметрично относительно ядер обоих атомов. Примером являются двухатомные молекулы, состоящие из атомов одного элемента: Н₂, Cl₂, O₂, N₂ и др., в которых электронная пара в одинаковой мере принадлежит обоим атомам.
В случае неполярной ковалентной связи электронное облако связи смещено к атому с большей относительной электроотрицательностью. Примером могут служить молекулы летучих неорганических соединений:
HCl, H₂O, H₂S, NH₃ и др.
Образование молекулы HCl можно представить схемой
Электронная пара смещена к атому хлора, т. к. относительная электроотрицательность атома хлора (2,83) больше, чем атома водорода (2,1).
Ковалентная связь образуется не только за счет перекрывания одноэлектронных облаков (обменный механизм образования ковалентной связи), возможен и другой механизм ее образования – донорно-акцепторный. В этом случае химическая связь возникает за счет двухэлектронного облака одного атома и свободной орбитали другого атома. Рассмотрим в качестве примера механизм образования иона аммония NH4+. В молекуле аммиака атом азота имеет неподеленную пару электронов:
У иона водорода свободна (не заполнена) 1s-орбиталь. При образовании иона аммония неподеленная пара электронов азота становится общей для атомов азота и водорода, а значит, возникает четвертая ковалентная связь. Заряд иона становится общим.
Атом, предоставляющий неподеленную электронную пару, называется донором, а атом принимающий ее (т. е. предоставляющий свободную орбиталь), называется акцептором.
Однако это не особый вид связи, а лишь иной механизм образования ковалентной связи. По свойствам четвертая N – H связь в ионе аммония ничем не отличается от остальных трех.
Способы перекрывания электронных орбиталей
В образовании химической связи участвуют s-, p- и d-электроны, имеющие различную геометрическую конфигурацию электронных облаков. Для возникновения химической связи необходимо перекрывание частей электронных оболочек. В противном случае химическая связь не образуется.
В зависимости от симметрии электронных облаков, в результате перекрывания которых образуется химическая связь, суммарное электронное облако будет иметь различную симметрию, в соответствии с которой они распадаются на два вида: δ- и π- связи.
1. δ- связь осуществляется при перекрывании облаков вдоль линии, соединяющей центры атомов, при этом максимальная электронная плотность достигается в межъядерном пространстве и имеет цилиндрическую симметрию относительно линии, соединяющей центры атомов.
2. π- связь возникает при перекрывании электронных облаков над и под линией, соединяющей центры атомов.
Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 89; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!