Свойства ковалентной связи направленность

Направленность ковалентной связи.

Свойства молекулы, ее способность вступать в химическое взаимодействие с другими молекулами (реакционная способ и ость) зависят не только от прочности химических связей в молекуле, но в значительной мере и от ее пространственного строения. Раздел химии, изучающий геометрическую структуру молекул, их пространственное строение, называется стереохимией.

Выше (§ 39) уже говорилось, что образование ковалентной связи является результатом перекрывания валентных электронных облаков взаимодействующих атомов. Но такое перекрывание возможно только при определенной взаимной ориентации электронных облаков; при этом область перекрывания располагается в определенном направлении по отношению к взаимодействующим атомам. Иначе говоря, ковалентная связь обладает направленностью.

Так, в молекуле водорода (рис. 27) перекрывание атомных -электронных облаков происходит вблизи прямой, соединяющей ядра взаимодействующих атомов (т. е. вблизи оси связи). Образованная подобным образом ковалентная связь называется -связью (сигма-связь).

В образовании -связи могут принимать участие и р-электрон-ные облака, ориентировнные вдоль оси связи. Так, в молекуле HF (рис. 32) ковалентная -связь возникает вследствие перекрывания -электронного облакаатома водорода и -электронного облака атома фтора. Химическая связь в молекуле (рис. 33) — тоже -связь; она образована -электронными облаками двух атомов фтора.

При взаимодействии р-электронных облаков, ориентированных перпендикулярно оси связи (рис. 34), образуется не одна, а две области перекрывания, расположенные по обе стороны от этой оси. Такая ковалентная связьназывается -связью (пи-связь).

Рис. 32. Схема перекрывания -электронного облака атома фтора и 1s-электронного облака атома водородапри образовании -связи в молекуле : + и — знаки волновой функции.

Рис. 33. Схема перекрывания 2p-электронных облаков атомов фтора при образовании -связи в молекуле .

34. Схема перекрывания р-электронных облаков при образовании -связи.

Рассмотрим образование молекулы азота . Каждый атом азота обладает тремя неспаренными -электронами, электронные облака которых ориентированы в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

На рис. 35 изображено перекрывание р-электронных облаков в молекуле (для удобства изображения перекрывание -облаков показано раздельно). Как показывает рис. 35, атомы азота связаны в молекуле тремя ковалентными связями. Но эти связи неравноценны: одна из них -связь, а две другие -связи. Вывод о неравноценности связей в молекуле азота подтверждается тем, что энергия их разрыва различна.

Представление о направленности ковалентных связей позволяет объяснить взаимное расположение атомов в многоатомных молекулах. Так, при образовании молекулы воды электронные облака двух неспаренных -электронов атома кислорода перекрываются с -электронными облаками двух атомов водорода; схема этого перекрывания изображена на рис. 36. Поскольку р-электронные облака атома кислорода ориентированы во взаимно перпендикулярных направлениях, то молекула имеет, как показано на рис. 36, угловое строение, причем можно ожидать, что угол между связями будет составлять .

Молекула , образующаяся при взаимодействии трех р-электронов атома азота с -электронами трех атомов водорода (рис. 37), имеет структуру пирамиды, в вершине которой находится атом азота, а в вершинах основания атомы водорода. И в этом случае можно ожидать, что углы между связями будут равны .

Эти выводы о взаимном расположении атомов в молекулах и соответствуют действительности.

Рис. 35. Схема перекрывания -электронных облаков в молекуле : а — -связь; б и в — -связи.

Рис. 36. Схема образования химических связей в молекуле воды.

Рис. 37. Схема образования химических связей в молекуле аммиака.

Значительная полярность молекул воды и аммиака , а также данные структурных исследований свидетельствуют о том, что молекула имеет угловое строение, а молекула построена в формепирамиды. Однако углы между связями (валентные углы) отличаются от : в молекуле воды угол НОН составляет , а в молекуле аммиака угол HNH равен .

Для объяснения отличия валентных углов в молекулах и от 90° следует принять во внимание, что устойчивому состоянию молекулы отвечает такая ее геометрическая структура и такое пространственное расположение электронных облаков внешних оболочек атомов, которым отвечает наименьшаяпотенциальная энергия молекулы. Это приводит к тому, что при образовании молекулы формы и взаимное расположение атомных электронных облаков изменяются по сравнению с их формами и взаимным расположением в свободных атомах. В результате достигается более полное перекрывание валентных электронных облаков и, следовательно, образование более прочных ковалентных связей. В рамкахметода валентных связей такая перестройка электронной структуры атома рассматривается на основе представления о гибридизации атомных орбиталей.

Понятие о сигма и пи связях.

Пи-связь (π-связь) — ковалентная связь, образующаяся перекрыванием p-атомных орбиталей. В отличие от сигма-связи, осуществляемой перекрыванием s-атомных орбиталей вдоль линии соединения атомов, пи-связи возникают при перекрывании p-атомных орбиталей по обе стороны от линии соединения атомов. Считается, что пи-связь реализуется в кратных связях — двойная связь состоит из одной сигма- и одной пи-связи, тройная — из одной сигма- и двух ортогональных пи-связей.^[1]

Концепцию сигма- и пи-связей разработал Лайнус Полинг в 30-х годах прошлого века^[2].

В атоме углерода один s- и три p- валентных электрона подвергаются гибридизации и становятся четырьмя равноценными sp³ гибридизированными электронами, посредством которых образуются четыре одинаковые химические связи в молекулеметана. Все связи в молекуле метана равноудалены друг от друга и образуют конфигурацию тетраэдра. В случае образования двойной связи, сигма-связи образованы sp² гибридизированными орбиталями. Общее количество таких связей у атома углерода три и они расположены в одной плоскости. Угол между связями 120 °. Пи-связь располагается перпендикулярно указанной плоскости (рис. 1). В случае образования тройной связи, сигма-связи образованы sp-гибридизрованными орбиталями, общее количество таких связей у атома углерода две и они находятся под углом 180° друг к другу. Две пи-связи тройной связи взаимно перпендикулярны (рис. 2).

В случае образования ароматической системы, например, бензола C₆H₆, каждый из шести атомов углерода находится в состоянии sp² — гибридизации и образует три сигма-связи с валентными углами 120 °. Четвёртый p-электрон каждого атома углерода ориентируется перпендикулярно к плоскости бензольного кольца (рис. 3). В целом возникает единая связь, распространяющаяся на все атомы углерода бензольного кольца. Образуются две области пи-связей большойэлектронной плотности по обе стороны от плоскости сигма-связей. При такой связи все атомы углерода в молекуле бензола становятся равноценными и, следовательно, подобная система более устойчива, чем система с тремя локализованными двойными связями. Нелокализованная пи-связь в молекуле бензола обусловливает повышение порядка связи между атомами углерода и уменьшение межъядерного расстояния, то есть длина химической связи d_ccв молекуле бензола составляет 1,39 Å, тогда как d_C-C = 1,543 Å, а d_C=C = 1,353 Å.^[3]

Концепция Л.Полинга сигма- и пи-связей вошла составной частью в теорию валентных связей. В настоящее время разработаны анимированные изображения гибридизации атомных орбиталей.

Однако сам Л.Полинг не был удовлетворён описанием сигма- и пи-связей. На симпозиуме по теоретической органической химии, посвящённой памяти Ф. А. Кекуле(Лондон, сентябрь 1958 г.) он отказался от σ, π-описания, предложил и обосновал теорию изогнутой химической связи^[4]. Новая теория чётко учитывала физический смысл ковалентной химической связи.

σ-связь(сигма-связь) — ковалентная связь, образующаяся перекрыванием электронных облаков «по осевой линии». Характеризуется осевой симметрией. Связь, образующаяся при перекрывании гибридных орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра атомов.

Концепцию Сигма- и Пи- связей сформулировал дважды лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг в 30-х годах прошлого века^[1]. Идея включала гибридизацию атомных орбиталей, рассчитанную с помощью простых алгебраических действий.

Считалось, что сигма-связь образуется за счёт перекрывания вытянутых гибридных орбиталей (рис.1), а Пи-связь образуется за счёт перекрывания p-орбиталей (рис.2).

Однако сам Л.Полинг не был удовлетворён описанием сигма- и Пи- связей. На симпозиуме по теоретической органической химии, посвящённом памяти А.Кекуле (Лондон, сентябрь 1958 г.), он раскритиковал и отказался от σ, π — описаний и предложил теорию изогнутой химической связи^[2]. Последняя теория чётко учитывала физический смысл ковалентной химической связи.

Основная характеристика сигма-связи (длина и прочность) зависит от электронной конфигурации атомов, образующих сигма-связь.

sp3-Гибридизация (характерна для алканов)
гибридизация, в которой участвуют атомные орбитали одного s- и трех p-электронов. Четыре sp3-гибридные орбитали симметрично ориентированны в пространстве под углом 109°28' . Пространственная конфигурация молекулы, центральный атом которой образован sp3-гибридными орбиталями – тетраэдр

sp2-гибридизация (характерна для алкенов, диенов и аренов)
Три sp² орбиталиПроисходит при смешивании одной s- и двух p-орбиталей. Образуется три гибридные орбитали с осями, расположенными в одной плоскости и направленными к вершинам треугольника под углом 120 градусов. Негибридная p-атомная орбиталь перпендикулярна плоскости и, как правило, участвует в образовании π-связей

sp-гибридизация (характерна для алкинов)
Происходит при смешивании одной s- и одной p-орбиталей. Образуется две равноценные sp-атомные орбитали, расположенные линейно под углом 180 градусов и направленные в разные стороны от ядра атома углерода. Две оставшиеся негибридные p-орбитали располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях и участвуют в образовании π-связей, либо занимаются неподелёнными парами электронов

Двуха́томная моле́кула — молекула, состоящая из двух атомов одного или разных элементов. Если двухатомная молекула состоит из двух атомов того же элемента, например, водород (H₂) или азот (N₂), тогда она называется гомоядерной. В ином случае, если двухатомная молекула состоит из двух атомов разных элементов, например, монооксид углерода (CO) или оксид азота(II) (NO), то она называетсягетероядерной. Атомы двухатомной молекулы связаны при помощи ковалентной связи.

H2S

PCl3

Билет 7(6)

Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 1608; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!