Характеристики химической связи

Химическая связь возникает при взаимодействии атомов, приводящем к образованию химически устойчивой двух- или многоатомной системы (молекулы, кристалла).

Рассмотрим образование химической связи на примере взаимодействия атомов водорода H. При сближении двух атомов водорода их сферические электронные облака перекрываются. Такое перекрывание возможно, если электроны имеют антипараллельные спины.

Электронная плотность в области перекрывания электронных облаков повышается, следовательно, увеличивается сила притяжения между атомами. Возникает система, в которой два атомных ядра взаимодействуют с двумя электронами, что приводит к выделению энергии, поэтому общая энергия системы уменьшается и система становится более устойчивой.

Схематичное изображение молекулы водорода Н₂ показывает электростатическое взаимодействие противоположно заряженных частиц (протонов и электронов) – взаимное притяжение и взаимное отталкивание частиц с одинаковым знаком заряда (электронов или протонов).

Система имеет минимум энергии при определённом расстоянии между ядрами атомов; при дальнейшем сближении атомов энергия начинает увеличиваться вследствие возрастания сил отталкивания между ядрами.

Химическая связь возникает только в том случае, если полная энергия взаимодействующих атомов уменьшается. Следовательно, при образовании химической связи энергия выделяется (процесс экзотермический).

Характеристиками химической связи являются её энергия и длина.

Энергией химической связиназывают то количество энергии, которое выделяется при образовании химической связи. Эта величина является характеристикой прочности связи; и её выражают в кДж на 1 моль образовавшегося вещества.

Чем больше энергия связи, тем прочнее связь. Энергию химической связи оценивают, сравнивая с состоянием, предшествующим образованию химической связи (для двухатомных молекул). Для трёх- и многоатомных молекул с одинаковым типом химической связи рассчитывают среднюю энергию связи.

Средняя энергия связи в молекуле определяется делением энергии образования молекулы на число химических связей.

Длиной химической связиназывают расстояние между ядрами атомов в молекуле.

Длина связи обусловлена размерами реагирующих атомов и степенью перекрывания их электронных облаков.

Ковалентная связь.

Ковалентная[28] связь – это химическая связь между атомами, осуществляемая обобществлёнными электронами; является универсальным типом химической связи.

Идея об образовании химической связи с помощью пары электронов, принадлежащих обоим соединяющимся атомам, была высказана в 1916 г. Льюисом2.

Обменный механизм образования ковалентной связи

Предполагается, что химическая связь образуется двумя неспаренными электронами с антипараллельными спинами; при этом происходит обобществление электронов, то есть образуется общая электронная пара, принадлежащая одновременно двум атомам. Подобный механизмполучил название обменного механизмаобразования ковалентной связи.

Ковалентная связь может возникать как между одинаковыми атомами (в молекулах Н₂, С1₂, в кристалле алмаза-углерода), так и между разными (в молекулах HCI, NH₃, в кристалле карбида кремния SiC).

Свойства ковалентной связи

Основными свойствами ковалентной связи являются её насы­щаемость и направленность.

Насыщаемость ковалентной связи обусловлена тем, что в её образовании участвуют электроны только вне­шних энергетических уровней атомов, то есть ограниченное число электронов.

Ковалентная связь обладает свойством направленности, так как электронные облака атомов имеют определённую направлен­ность, а значит и область перекрывания электронных облаков находится в определённом направлении по отношению к взаимо­действующим атомам.

Ковалентная связь называется неполярной, если одна или несколько общих электронных пар в равной мере принадлежат обоим атомам, то есть смешения электронных пар не происходит.

Если два связывающихся атома имеют различную электроотрицательность, то электронная пара смешается к ядру более электроотрицательного атома. Если электронная пара, образующая химическую связь, смещается к одному из ядер атомов, то такая связь называется ковалентной полярной связью.

Вследствие того, что электронная пара смещается от одного атома к другому, атомы приобретают эффективный заряд. Например, в хлороводороде: − .

Мерой полярности ковалентной связи является её электрический дипольный[29] момент.

Электрический дипольный момент связи ( _св) численно равен произведению эффективного заряда (δ)на расстояние (ℓ) между центрами тяжести равных по величине положительного и отрицательного зарядов в двухатомной молекуле:

_cв = δ ∙ ℓ (4)

Валентность (от. лат. valentia - сила)атомов элемента − это способность атома элемента образовывать химические связи. Количественной мерой валентности (в рамках метода валентных связей) принято считать число связей, образованных данным атомом с другими атомами или атомными группировками. Согласно обменному механизму образования ковалентной связи по методу валентных схем, валентность определяется числом содержащихся в атоме элемента неспаренных электронов. Спаренные электроны при возбуждении атома могут разъединяться при наличии свободных орбиталей на других подуровнях того же энергетического уровня.

Донорно-акцепторный механизм образования

Ковалентной связи

Кроме рассмотренного обменного механизма, существует и другой механизм, когда образование ковалентной связи происходит при взаимодействии одного нейтрального ато­ма или иона с заполненной атомной орбиталью с другим нейтральным атомом или ионом, имеющим вакантную орбиталь. Такой механизм образования ковалентной связи называется донорно-акцепторным.

Нейтральный атом или ион, поставляющий электронную пару, называется донором1, а нейтральный атом или ион, её принимающий, называется акцептором2.

По донорно-акцепторному механизму происходит перекрывание вакантной орбитали акцептора с заполненной орбиталью донора или донорной группы.

Таким образом, валентность атомов элементов определяется как числом ковалентных связей, образованных по обменному механизму, так и числом ковалентных связей, образованных по донорно-акцепторному механизму.

Виды ковалентной связи

В зависимости от направления перекрывания атомных орбиталей различают два вида ковалентной связи – σ и π:

• σ-связь образования ковалентной связи возникает при перекрывании атомных орбиталей вдоль оси, соединяющей ядра атомов:

s – s	s – p	p – p	d – d

• π-связь возникает при перекрывании атомных орбиталей в плоскости, перпендикулярной оси, соединяющей ядра атомов:

p – p	d – р	d – d

Таким образом, s-электроны участвуют лишь в образовании σ-связи; р- и d-электроны − в образовании σ- и π- связей.

При наложении одной или двух π-связей на σ-связь образуются кратные связи − двойные и тройные.

N N

Число ковалентных связей между атомами называется кратностью или порядком связи.

С увеличением кратности ковалентной связи её длина уменьшается, а прочность возрастает.