Ковалентная связь. Теории Льюиса и Лондона. МВС. Свойства. Дипольный момент.
Дж. Льюис (1916) высказал предположение, что химическая связь возникает путем образования электронной пары, одновременно принадлежащей двум атомам. Это послужило исходным пунктом разработки современной теории ковалентной связи.
Связь, которая образована электронами, принадлежащими двум взаимодействующим атомам, называется
ковалентной.
Основные положения теории Льюиса:
1) при взаимодействии атомов между ними формируется поделенные (общие) электронные пары, принадлежащие обоим атомам;
2) за счет общих электронных пар каждый атом в молекуле приобретает на внешнем энергетическом уровне восемь электронов (ns2 np6), а если этот уровень первый, то два электрона (ns2);
3) конфигурация ns2 np6 – это устойчивая конфигурация инертного газа и в процессе химического взаимоействия каждый атом стремится ее достигнуть. Пара электронов, принадлежащих обоим атомам, называется
поделенной, а пара электронов, принадлежащих только одному из взаимодействующих атомов, называется неподленной;
4) количество общих электронных пар определяет ковалентность элемента в молекуле и оно равно числу
электронов у атома, недостающих до восьми;
5) валентность свободного атома определяется числом неспаренных электронов.
Недостатки данной теории:
1) не объясняет, почему электроны соединяются в пары;
2) не объясняет, почему существуют молекулы с непарным количеством электронов (NO);
3) не объясняет существование молекул, содержащих элемент с большим, чем 8 электронов (SF6);
4) не объясняет структуры ионных соединений.
Впервые расчет строения молекулы водорода был произведен в 1927 г. В. Гейтлером и Ф. Лондоном.
Двухэлектронная двухцентровая связь называется ковалентной.
Представления о механизме образования химической связи, развитые В. Гейтлером и Ф. Лондоном на примере водорода, были распространены и на более сложные молекулы. Разработанная на этой основе теория
химической связи получила название метода валентной связи. Основные положения метода валентных связей
(МВС):
1) ковалентная связь образуется двумя электронами с противоположно направленными спинами, причем
эта электронная пара принадлежит двум атомам;
2) при образовании химической связи происходит перекрывание электронных облаков и между ядрами возникает область с повышенной электронной плотностью, при этом выделяется энергия;
3) химическая связь возникает в месте максимального перекрывания электронных облаков, обычно по оси электронных облаков;
4) химическая связь тем прочнее, чем больше область перекрывания, степень перекрывания зависит от их размеров и плотности;
5) образование молекулы сопровождается сжатием электронных облаков и уменьшением размеров молекулы по сравнению с размерами атомов;
6) в образовании химической связи принимают участие s- и p-электроны внешнего энергетического уровня и d-электроны предвнешнего
энергетического уровня.
Для наглядного изображения валентных схем необходимо электроны, находящиеся во внешнем электронном слое обозначают точками, располагаемыми вокруг химического символа атома
Н• + • Н → Н : Н.
Число общих электронных пар, связывающих атом данного элемента с другими атомами (число образованных связей), называется ковалентностью элемента.
К основным свойствам ковалентной связи относятся:
1) направленность – ковалентная связь возникает в направлении, обеспечивающим максимальное перекрывание электронных облаков, по осям электронных облаков.
Ковалентная связь, которая образуется при перекрывании электронных облаков вдоль линии, связывающих центры взаимодействующих атомов, называется σ-связью.
Ковалентная связь, которая образуется перпендикулярно линии, связывающих центры взаимодействующих
атомов, называется π-связью.
при образовании π-связей
2) насыщаемость – все одноэлектронные (неспаренные) электронные облака стремятся принять участие в образовании связи;
3) поляризуемость – смещение области повышенной электронной плотности к одному из атомов под действием внешнего электрического поля.
Химическая связь в молекуле, образованной одинаковыми атомами, область перекрывания электронных облаков находится на одинаковом расстоянии от ядер обоих атомов, называется ковалентной неполярной (гомеополярной).
Химическая связь в молекуле, образованная разными атомами и область перекрывания электронных облаков смещена к более электроотрицательному атому, называется ковалентной полярной (гетерополярной).
Смещение общего электронного облака при образовании полярной ковалентной связи приводит к тому,
что отрицательный заряд оказывается вблизи более электроотрицательного атома, а положительный – вблизи менее электроотрицательного атома. В результате первый атом приобретает избыточный отрицательный, а второй
– избыточный положительный заряд, который называют эффективным зарядом атомов в молекуле. Система из двух равных по абсолютной величине, но противолоположных по знаку зарядов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, называют электрическим диполем. В окружающем диполь пространстве образуется электрическое поле. Напряженность этого поля характеризуется дипольным моментом:
произведение абсолютного значения заряда электрона (q) на расстояние между центрами положительного и отрицательного зарядов в молекуле (l) называется дипольным моментом (µ). Дипольный момент равен:
µ = ql (размерность Кл⋅м или Д; 1Д = 3,33⋅10–30Кл⋅м).
12. Гибридизация атомных орбиталей (sp-,sp2-,sp3-гибридизация). Примеры.
Раздел химии, изучающий пространственное строение молекул, называется стереохимией. В реальных молекулах имеет место более совершенная симметрия, чем это диктует строение электронной оболочки центрального атома. Чтобы привести в соответствие экспериментальные данные с теорией Л. Полинг предложил модель особым образом возбужденного центрального атома в молекуле. Валентные облака такого атома различные по форме и свойствам до возбуждения становятся одинаковыми и называются гибридным облаками. Само явление "гибридизации" – не установленный факт, не физическое явление, это просто непротиворечивая модель, математический прием, который позволяет количественно описать реальные структуры молекул и их
энергетику. Обычно гибридизация имеет место, когда валентные электроны располагаются на разных подуровнях на одном энергетическом уровне. В результате гибридизации получаются качественно новые гибридные облака, имеющие одинаковую форму и энергию. При этом число гибридных орбиталей равно числу исходных орбиталей.
Перестройка структуры атома называется гибридизацией атомных орбиталей.
Рассмотрим следующие типы гибридизации:
1 Гибридизация одной s- и одной р-орбитали называется sp-гибридизацией. Форма молекулы линейная.
2 Гибридизация одной s- и двух р-орбиталей называется sp2-гибридизацией. Форма молекулы треугольная.
3 Гибридизация одной s- и трех р-орбиталей называется sp3-гибридизацией. Форма молекулы тетраэдрическая.
13. δ- и π- связь. Свойства. Примеры.
Сигма-связь– это первая, более прочная связь, которая образуется при перекрывании электронных облаков в направлении прямой, соединяющей центры атомов.
Сигма-связь – это обычные ковалентные связи атомов углерода с атомами водорода.
Молекулы предельных углеводородов содержат только сигма-связи.
Пи-связь – это менее прочная связь, которая образуется при перекрывании электронных облаков вне плоскости атомных ядер.
Электроны π-связи и δ-связи теряют свою принадлежность к определенному атому.
Особенности δ-связи и π-связи:
1) вращение атомов углерода в молекуле возможно в случае, если они соединены δ-связью;
2) появление π-связи лишает атомы углерода в молекуле свободного вращения.
Водородная связь.
Химическая связь, образуемая протонированным атомом водорода с сильноэлектроотрицательным элементом той же или другой молекулы, называется водородной связью.
Для возникновения водородной связи необходимо:
1) взаимодействующие молекулы должны быть сильно полярны;
2) в молекуле должен быть водород;
3) второй атом в молекуле должен быть сильно электроотрицательным (N, O, F).
Химическая связь, возникающая между молекулами, в состав которых входит водород и сильно электроотрицательный элемент, называется межмолекулярной водородной связью.
Химическая связь, возникающая внутри одной молекулы между двумя функциональными группами, называется внутримолекулярной водородной связью.
Металлическая связь.
Химическая связь, с помощью которой осуществляется взаимодействие между частицами в кристаллах металлов, называется металлической. Пространственный каркас, образованный прямыми линиями, соединяющий частицы в определенных точках пространства, называется кристаллической решеткой.
Кристаллические решетки, состоящие из ионов, называются ионными.
Кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы, называются атомными.
Кристаллические решетки, состоящие из молекул (полярных и неполярных), называются молекулярными.