Природа химической связи. Квантово-механическая трактовка механизма образования химической связи.
Типы связей: ковалентная, ионная, координационная (донорно-акцепторная), металлическая, водородная.
Характеристики связи: энергия и длина связи, направленность, насыщенность, электрические дипольные моменты, эффективные заряды атомов, степень ионности.
Метод валентных связей (ВС). Сигма- и пи-связи. Типы гибридизации атомных орбиталей и геометрия молекул. Неподеленные электронные пары молекул.
Метод молекулярных орбиталей (МО) и особенности использованной в нем волновой функции. Связывающие и разрыхляющие молекулярные орбитали. Принципы заполнения их электронами, порядок и энергия связей. Связи в двухатомных гомоядерных молекулах.
Свойства химических связей в твердом состоянии вещества. Свойства ионных кристаллов. Металлическая связь и строение металлических кристаллов. Специфические свойства металлов. Молекулярные кристаллы и их свойства.
Применение теории химической связи в химии и биологии. Энергия ковалентных связей и энергетика химических реакций. Предсказание геометрии молекул. Гибкость биомолекул как результат свободного вращения вокруг s-связей. Взаимодействие биомолекул с водой как следствие образования водородных связей и взаимодействия диполей воды с атомами, имеющими значительные заряды.
Вариант 1
1. Какую связь называют ионной? Покажите механизм возникновения ионной связи на примере образования фторида калия. Можно ли говорить о молекуле CI для твердого состояния вещества?
2. В каких молекулах из перечисленных ниже имеется p-связь? CH 4 ; N 2 ; BeCl 2 ; CO 2 . Ответ подтвердите графическими формулами.
3. Каков механизм переменной валентности элементов? Почему сера проявляет переменную валентность, кислород всегда не более чем двухвалентен?
4. Обозначьте тип гибридизации орбиталей в молекулах CH 4 , MgCl 2 , BF 3 .
Вариант 2
1. В чем заключается особенность типично ковалентной связи? Покажите механизм возникновения этой связи в обобщенно-схематическом виде.
2. Из числа перечисленных ниже соединений выпишите двумя столбцами молекулы с одинарной и кратной связью. Те, в которых имеются π-связь, подчеркните.
C 2 H 4 , NH 3 , N 2 , CCl 4 , SO 2 , H 2 O.
3. Как влияет характер химической связи атомов на свойства веществ (способность к диссоциации, t и т. д.)?
4. Изобразите рисунком процесс Sp 2 -гибридизации. Приведите пример соответствующей молекулы и укажите ее геометрию.
Вариант 3
1. Как изменяется запас энергии молекул по сравнению с запасом энергии разрозненных атомов? Какая молекула прочнее: H 2 (E CB = 431,8 кДж) или N 2 (E CB = 945 кДж)?
2. Чем определяется величина ковалентности элемента? Приведите графические формулы молекул N 2 , NH 3 , NO и определите в каждой из них ковалентность азота.
3. Что называют гибридизацией орбиталей? Нарисуйте одну гибридную орбиталь и объясните, почему гибридные связи образуют более прочную связь, чем негибридные.
4. Дайте общую характеристику кристаллических веществ и назовите типы кристаллических решеток.
Вариант 4
1. Перечислите основные виды химических связей и приведите по одному примеру соответствующих этим видам связи химических соединений.
2. Изобразите рисунками два возможных способа перекрывания р-электронных облаков.
3. Что называют длиной диполя и дипольным моментом молекулы? От чего зависит величина дипольного момента?
4. Из перечисленных ниже молекул выпишите те, в которых имеются Sp-гибридные орбитали, и укажите их геометрию.
BeCl 2 , BCl 3 , H 2 O, C 2 H 2 .
Вариант 5
1. В чем особенность донорно-акцепторной связи? Покажите ее механизм в обобщенно-схематической форме и на примере.
2. От чего зависит величина ковалентности атома в молекуле? Имеет ли ковалентность знак? Определите ковалентность серы в молекуле H 2 S и ионе по их графическим формулам.
3. Сколько σ- и π-связей в молекуле N+, ионе ?
4. Почему молекула CaCl 2 (в парах) имеет линейную форму, молекула BCl 3 треугольную – плоскую, а молекула CCl 4 – тетраэдрическую?
Вариант 6
1. Какова физическая природа типично ковалентной связи в соответствии с представлениями волновой механики? Какими должны быть спины электронов взаимодействующих атомов, чтобы они могли вступить друг с другом в химическое взаимодействие?
2. Как современная теория химической связи объясняет переменную валентность элементов? Приведите пример.
3. Объясните с помощью графических формул? почему при наличии полярных связей в молекулах CO 2 и SO 2 одна из них неполярна, а другая полярна.
4. Выпишите химические соединения, в образовании которых участвуют Sp 2 -гибридные орбитали C 2 H 4 ; CH 4 ; BCl 3 ; C 2 H 2 .
Вариант 7
1. В каких случаях и как возникает водородная связь? Приведите примеры.
2. Выпишите те из приведенных ниже молекул, в которых имеется типично-ковалентная связь между атомами PCl 3 ; N 2 ; K 2 S; SO 3 . Приведите их графические формулы.
3. Каким принципам и правилам подчиняется заполнение и атомных, и молекулярных орбиталей? Как определяется число химических связей в молекуле по методу МО?
4. Какие из перечисленных молекул имеют угловую форму? CO 2 , SO 2 , H 2 O.
Вариант 8
1. В чем заключаются особенности металлической связи?
2. Сколько холостых электронов у атомов Al и Sе в основном состоянии? Какой процесс обусловливает возможность повышения ковалентности этих элементов до величины, соответствующей номеру их группы в системе Д. И. Менделеева?
3. В каких из приведенных молекул абсолютное значение, степени окисления и ковалентность подчеркнутых элементов не совпадают?
N 2 , H 2 , NH 3 , C 2 H 2 .
Ответ обоснуйте графическими формулами.
4. Изобразите схематически процесс Sp 3 -гибридизации орбиталей. Приведите примермолекулы, в которой осуществляется этот тип гибридизации.
Вариант 9
1. Для каких из перечисленных ниже молекул возможны межмолекулярные водородные связи и почему? СаН 2 , Н 2 О, HF 2 , CH 4 .
2. От чего зависит степень поляризации связи между атомами в молекуле и что является ее количественной характеристикой?
3. Сколько σ- и π-связей в молекуле СО 2 ? Какой здесь тип гибридизации орбиталей атома углерода?
4. Какие из перечисленных веществ имеют в твердом состоянии молекулярные, а какие – ионные кристаллические решетки?
NaJ, H 2 O, K 2 SO 4 , CO 2 , J 2 .
Вариант 10
1. Изобразите по методу валентных схем (ВС) строение молекул Н 2 , N 2 и NH 3 . Каков тип связи между атомами этих молекул? В какой из молекул имеются π-связи?
2. По типу химической связи определите, у какого из перечисленных ниже веществ а) наибольшая способность к диссоциации; б) самая низкая температура плавления; в) самая высокая температура кипения. HF; Cl 2 .
3. В чем заключается направленность ковалентной связи? Покажите на примере строения молекулы воды, как влияет направленность связи на геометрию молекулы.
4. В каких из перечисленных молекул углы связи между атомами равны 180°?. Какой тип гибридизации орбиталей это объясняет?
CH 4 , BF 3 , MgCl 2 , C 2 H 2 .
Вариант 11
1. Какие электроны: спаренные или холостые – определяют возможное число типично-ковалентных связей атома в данном энергетическом состоянии? В качестве примера рассмотрите атом серы.
2. Чем отличаются друг от друга σ- и π-связи? Могут ли гибридные орбитали образовывать π-связь? Сравните прочность π- и σ-связей.
3. Изобразите рисунком схему Sр-гибридизации орбиталей и выпишите те из приведенных молекул, в которых имеется этот тип гибридизации.
BeCl 2 , CH 4 , AlF 3 , C 2 H 2 .
4. Дайте общую характеристику особенностей аморфных тел.
Вариант 12
1. Чем отличаются ковалентно-неполярная и ковалентно-полярная связь? Объясните на примерах, в каких случаях они возникают.
2. Укажите типы связей в следующих соединениях и ионах:
CsF, 2+ , Cl 2 , SO 3 .
3. Сколько гибридных орбиталей образуется при Sр 3 -гибридизации? Какова геометрия молекулы СН 4 , в которой этот тип гибридизации осуществляется?
4. Какие известны типы межмолекулярных взаимодействий?
Вариант 13
1. По величинам электроотрицательности атомов серы, хлора и натрия определите, какие из них образуют друг с другом ионную, а какие – ковалентную связь.
2. Перечертите таблицу и заполните ее для подчеркнутых атомов.
3. Почему фосфор может образовывать соединения PCl 3 и PCl 5 , а азот – только NCl 3 ? К какому атому смещена во всех этих молекулах электронная пара?
4. Какие из перечисленных молекул имеют форму тетраэдра и почему?
Вариант 14
1. Чем определяется величина электровалентности элемента в ионных соединениях? Обозначьте электровалентность в соединениях K 2 S, MgCl 2 , AlCl 3 . Совпадает ли она со степенью окисления?
2. Чем отличается метод молекулярных орбиталей (МО) от метода валентных связей (ВС)? Приведите схемы образования молекулы водорода по методу ВС и методу МО.
3. Какие типы связей имеются в молекуле NH 4 Cl? Покажите их на электронной схеме строения молекулы.
4. Укажите типы гибридизации орбиталей и геометрию молекул BeF 2 , СH 4 , BCl 3 .
Ковалентная связь. Строение молекулы воды
Задание 61.
Какую химическую связь называют ковалентной? Чем можно объяснить направленность ковалентной связи? Как метод валентных связей (ВС) объясняет строение молекулы воды?
Решение:
Связь, осуществляемая за счёт образования электронных пар,
в одинаковой мере принадлежащей обоим атомам, называется ковалентной неполярной. Ковалентные связи определённым образом ориентированы в пространстве, т. е. имеют направленность. Причина того, что молекулы могут иметь линейное плоское или какое-либо другое строение, заключается в использовании атомами для образования связей разные орбитали и разное их количество. Молекулы, которые имеют дипольный момент, не являются линейными, а молекулы, у которых нет дипольного момента – линейные.
Молекула воды Н 2 О имеет дипольный момент, значит, она имеет нелинейное строение. В образовании связей между атомами кислорода и водорода участвуют один атом кислорода и два атома водорода. Кислород – цейтральный атом в молекуле воды, и он имеет четыре электронные пары, две пары неподелённые и две – поделённые, которые образованы одним s-электроном и одним р-электроном кислорода. Такая молекула имеет тетраэдрическое строение в центре тетраэдра находится атом кислорода, а по углам тетраэдра два атома водорода и две неподелённые электронные пары кислорода. В такой молекуле угол между связями должен быть равен 109,5 0 . Если бы молекула воды была плоская, то угол НОН должен быть 90 0 . Но рентгеноструктурный анализ молекул воды показывает, что угол НОН равен 104,5 0 . Это объясняет, что молекула воды имеет не линейное форму, а имеет форму искажённого тетраэдра. Объясняется это тем, что атом кислорода претерпевает sp 3 - гибридизацию, когда одна s-орбиталь и три р-орбитали атома кислорода гибридизируются, образуя четыре равноценные sp 3 -гибридные орбитали. Из четырёх sp 3 -гибридных орбиталей две заняты s-орбиталями атома водорода. Разница между значениями валентного угла и тетраэдрическим углом объясняется тем, что отталкивание между неподелёнными электронными парами больше, чем между связывающими.
Полярная ковалентная связь
Задание 62.
Какую ковалентную связь называют полярной? Что служит количественной мерой полярности ковалентной связи? Исходя из значений электроотрицательности атомов соответствующих элементов определите, какая из связей: HCl, IСl, ВгF наиболее полярна.
Решение:
Ковалентная связь, которая образована разными атомами, называется полярной. Например, H - Cl; центр тяжести отрицательного заряда (связанного с электронами) не совпадает с центром тяжести положительного заряда (связанного с зарядом ядра атома). Электронная плотность общих электронов смещена к одному из атомов, имеющего большее значение электроотрицательности, в большей степени. В H: Cl общая электронная пара смещена в сторону наиболее электроотрицательного атома хлора. Полярность связи количественно оценивается дипольным моментом (), который является произведением длины диполя (l) – расстояния между двумя равными по величине и противоположными по знаку зарядами +g и –g на абсолютную величину заряда: = lg
. Дипольные моменты НСI, НВг, НI равны, соответственно 1,04; 0,79; 0,38 D. Дипольные моменты молекул обычно измеряют в дебаях (D)* : 1D = 3,33
.
10
-30 Кл
.
м.
Дипольный момент - величина векторная и направлен по оси диполя от отрицательного заряда к положительному. Дипольный момент связи даёт ценную информацию о поведении молекулы в целом. Наряду с дипольным моментом, для оценки степени полярности связи используют характеристику, называемую электроотрицательностью элемента (ЭО). ЭО – это способность атома притягивать к себе валентные электроны других атомов. Значения ЭО элементов приведены в специальных шкалах (таблицах).
Значения ЭО водорода, хлора, брома, йода, фтора соответственно равны: 2,1; 3,0; 2,8; 2,5; 4,0. Исходя из значений ЭО элементов в соединениях
наиболее полярная связь в молекуле ВгF, так как разница электроотрицательностей между фтором и бромом наибольшая – 1,2 (4,0 – 2,8 = 1,2), чем у HCl и IСl.
Донорно-акцепторная связь
Задание 63.
Какой способ образования ковалентной связи называют донорно-акцепторным? Какие химические связи имеются в ионах NH 4+ и BF 4- ? Укажите донор и акцептор.
Решение:
Донорно-акцепторная связь – это ковалентная связь, в которой обобществлённую пару электронов предоставляет только один из участвующих в связи атомов. При этом один из атомов является донором – поставщиком электронной пары, а другой – акцептором – поставщиком свободной квантовой орбитали.
Катион аммония NH 4+ образуется по донорно-акцепторному механизму:
Он имеет форму правильного тетраэдра:
В ионе аммония каждый атом водорода связан с атомом азота общей электронной парой, одна из которых реализована по донорно-акцепторному механизму. Важно отметить, что связи H - N, образованные по различным механизмам, никаких различий не имеют, т. е. все они равноценны. Донором является атом азота, а акцептором – атом водорода.
Ион BF 4- образуется из BF 3 и иона F-. Этот ион образуется за счёт того, что неподелённая электронная пара иона F- «встраивается» в валентную оболочку атома бора ковалентносвязанной молекулы BF 3:
В ионе BF 4- донором является ион фтора, а акцептором атом бора молекулы BF 3 .
Донорно-акцепторная связь в структурных формулах изображается стрелкой которая направлена от донора к акцептору.
Метод валентных связей (ВС)
Задание 64.
Как метод валентных связей (ВС) объясняет линейное строение молекулы ВеCl 2 и тетраэдрическое СН 4 ?
Решение
а) Представления метода валентных связей позволяют объяснить геометрию многих молекул. Так молекула BeCl2 состоит из одного атома бериллия и двух атомов хлора. Атом бериллия в возбуждённом состоянии имеет один s-электрон и один р-электрон. При образовании BeCl 2 возникают две ковалентные связи. Одна из них должна быть s - p связью, образованная за счёт перекрывания s-облака атома бериллия и р-облака атома хлора, другая (р - р связь) за счёт перекрывания р-облака атома бериллия и р-облака атома хлора.
р - р связь и s - p могут располагаться друг относительно друга под углом, т. е. молекула BeCl 2 должна быть угловой, но точно установлено, что молекула BeCl 2 имеет линейное строение, причём обе - связи равны по энергии и по длине. Для объяснения геометрии молекулы BeCl 2 привлекается концепция гибридизации атомных орбиталей. Суть концепции атомных орбиталей заключается в том, что атомные орбитали могут геометрически видоизменяться и смешиваться друг с другом таким образом, чтобы обеспечить наибольшее перекрывание с орбиталями других атомов и, следовательно, наибольший выигрыш в энергии. Это достигается в том случае, если вместо орбиталей, имеющих разные форму и энергию, появляются одинаковые по форме и энергии гибридные орбитали, представляющие собой линейные комбинации исходных атомных орбиталей. Так в атоме Ве s-орбиталь и р-орбиталь вступают во взаимодействие, их энергии выравниваются и образуются две одинаковые по форме sp-гибридные орбитали. Два образовавшихся sp-гибридных электронных облака имеют одинаковую энергию и ассиметричную форму, которая обеспечивает большее перекрывание р-электронными облаками атома хлора, чем перекрывание с участием чистых негибридизированных s- и р-облаков. Два гибридных sp-облака располагаются относительно друг друга и ядра атома под углом 180 0:
Рис. 1. Трёхатомная молекула BeCl 2
В результате такого расположения гибридных облаков молекула BeCl 2 имеет линейное строение.
б) Молекула СН 4 состоит из одного атома углерода и четырёх атомов водорода, между которыми возникают четыре ковалентные связи. Атом углерода в возбуждённом состоянии имеет четыре неспаренных электрона, один из них на s-орбитали и три на р-орбиталях:
Заполнение внешнего энергетического уровня атома углерода в основном состоянии:
Заполнение внешнего энергетического уровня атома углерода в возбуждённом состоянии:
Из четырёх связей в молекуле СН 4 должны быть одна s - s и три s - p связи, образованные за счёт перекрывания орбиталей атома углерода с s-орбиталью атомов водорода. В результате этого перекрывания должна образоваться связь s - s, отличная от трёх s - p связей длиной и энергией и, расположенная к любой из них под углом около 125 0 . Однако точно установлено, что молекула СН 4 имеет форму тетраэдра с углом между связями 109,5 0 , причём все связи равноценны по длине и энергии. Объяснить тетраэдрическое строение молекулы СН 4 можно sp 3 -гибридизацией. Атом углерода содержит четыре sp 3 -гибридные орбитали, образующиеся в результате линейной комбинации s-орбитали и трёх p-орбиталей. Четыре sp3-гибридные орбитали располагаются друг относительно друга под углом 109,5 0 . Они направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится ядро атома углерода (рис. 2.).
Рис. 2. Схема строения молекулы СН
4;
Метан, несвязывающих электронных пар нет.
Таким образом, в молекуле СН4 образуются четыре равноценные химические -связи за счёт перекрывания sp3-гибридных орбиталей атома углерода с s-орбиталями атомов углерода.
Образование сигма-связи и пи-связи
Задание 65.
Какую ковалентную связь называют -связью и какую -связью? Разберите на примере строения молекулы азота.
Решение:
Связь, образующаяся за счёт перекрывания вдоль линии, соединяющей два атома, называют -связью (любая простая связь) или «Если перекрывание атомных орбиталей происходит на межъядерной оси, то образуется сигма-связь (-связь). Сигма-связь образуется за счёт перекрывания двух s-орбиталей (s - s связь), одной s- и одной р-орбиталью (s - p связь), двумя р-орбиталями (р - р связь), одной s- и одной d-орбиталью (s - d связь), одной p- и одной d-орбиталью (p - d связь).
Варианты перекрывания атомных орбиталей, приводящие к образованию
С 2s 2 2p 2 С +1е = С -
О 2s 2 2p 4 О -1е = О +
Возможно иное объяснение образования тройной связи в молекуле СО.
Невозбужденный атом углерода имеет 2 неспаренных электрона, которые могут образовать 2 общие электронные пары с 2-мя неспаренными электронами атома кислорода (по обменному механизму). Однако имеющиеся в атоме кислорода 2 спаренные р -электрона могут образовывать тройную химическую связь, поскольку в атоме углерода имеется одна незаполненная ячейка, которая может принять эту пару электронов.
Тройная связь образуется по донорно-акцепторному механизму, направление стрелки от донора кислорода к акцептору – углероду.
Подобно N 2 - СО обладает высокой энергией диссоциации (1069 кДж), плохо растворим в воде, инертен в химическом отношении. СО – газ без цвета и запаха, безразличный несолеобразующий, не взаимодействует с кислотными щелочами и водой при обычных условиях. Ядовит, т.к. взаимодействует с железом, входящим в состав гемоглобина. При повышении температуры или облучении проявляет свойства восстановителя.
Получение:
в промышленности
CO 2 + C « 2CO
2C + O 2 ® 2CO
в лаборатории: H 2 SO 4, t
HCOOH ® CO + H 2 O;
H 2 SO 4 t
H 2 C 2 O 4 ® CO + CO 2 + H 2 O.
В реакции СО вступает лишь при высоких температурах.
Молекула СО имеет большое сродство к кислороду, горит образуя СО 2:
СО + 1/2О 2 = СО 2 + 282 кДж/моль.
Из-за большого сродства к кислороду СО используется как восстановитель оксидов многих тяжелых металлов (Fe, Co, Pb и др.).
СO + Cl 2 = COCl 2 (фосген)
CO + NH 3 ® HCN + H 2 O H – C º N
CO + H 2 O « CO 2 + H 2
CO + S ® COS
Наибольший интерес представляют карбонилы металлов (используются для получения чистых металлов). Химическая связь по донорно-акцепторному механизму, имеет место p-перекрывание по дативному механихму.
5CO + Fe ® (пентакарбонил железа)
Все карбонилы – диамагнитные вещества, характеризуются невысокой прочностью, при нагревании карбонилы разлагаются
→ 4CO + Ni (карбонил никеля).
Как и СО карбонилы металлов – токсичны.
Химическая связь в молекуле СО 2
В молекуле СО 2 sp- гибридизация атома углерода. Две sp-гибридные орбитали образуют 2 s-связи с атомами кислорода, а оставшиеся негибридизованными р-орбитали углерода дают с двумя р-орбиталями атомов кислорода p-связи, которые располагаются в плоскостях перпендикулярных друг другу.
О ═ С ═ О
Под давлением 60 атм. и комнатной температуре СО 2 сгущается в бесцветную жидкость. При сильном охлаждении жидкая СО 2 застывает в белую снегоподобную массу, возгоняющуюся при Р = 1 атм и t = 195К(-78°). Спрессованная твердая масса называется сухим льдом, СО 2 не поддерживает горения. В нем горят лишь вещества, у которых сродство к кислороду выше чем у углерода: например,
2Mg + CO 2 ® 2MgO + C.
СО 2 реагирует с NH 3:
CO 2 + 2NH 3 = CO(NH 2) 2 + H 2 O
(карбамид, мочевина)
2СО 2 + 2Na 2 O 2 ® 2Na 2 CO 3 +O 2
Мочевина разлагается водой:
CO(NH 2) 2 + 2H 2 O ® (NH 4) 2 CO 3 → 2NH 3 + СО 2
Целлюлоза – углевод, который состоит из остатков b-глюкозы. Она синтезируется в растениях по следующей схеме
хлорофилл
6CO 2 + 6H 2 O ® C 6 H 12 O 6 + 6O 2 фотосинтез глюкозы
СО 2 получают в технике:
2NaHCO 3 ® Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2
из кокса C + O 2 ® CO 2
В лаборатории (в аппарате Киппа):
. 
Угольная кислота и ее соли
Растворяясь в воде, углекислый газ частично взаимодействует с ней, образуя угольную кислоту H 2 CO 3 ; при этом устанавливаются равновесия:
К 1 = 4×10 -7 К 2 = 4,8×10 -11 – слабая, неустойчивая, кислородсодержащая, двухосновная кислота. Гидрокарбонаты растворимы в Н 2 О. Карбонаты нерастворимы в воде, кроме карбонатов щелочных металлов, Li 2 CO 3 и (NH 4) 2 CO 3 . Кислые соли угольной кислоты получают, пропуская избыток СО 2 в водный раствор карбоната:
либо постепенным (по каплям) добавлением сильной кислоты в избыток водного раствора карбоната:
Na 2 CO 3 + HNO 3 ® NaHCO 3 + NaNO 3
При взаимодействии со щелочами или нагревании (прокаливании) кислые соли переходят в средние:
Соли гидролизуются по уравнению:
I ступень
Из-за полного гидролиза из водных растворов нельзя выделить карбонаты Gr 3+ , Al 3+ , Ti 4+ , Zr 4+ и др.
Практическое значение имеют соли - Na 2 CO 3 (сода), CaCO 3 (мел, мрамор, известняк), K 2 CO 3 (поташ), NaHCO 3 (питьевая сода), Са(НСО 3) 2 и Mg(HCO 3) 2 обусловливают карбонатную жесткость воды.
Сероуглерод (CS 2)
При нагревании (750-1000°С) углерод реагирует с серой, образуясероуглерод, органический растворитель (бесцветная летучая жидкость, реакционноспособное вещество), огнеопасен и летуч.
Пары CS 2 – ядовиты, применяется для фумигации (окуривания) зернохранилищ против насекомых - вредителей, в ветеринарии служит для лечения аскаридоза лошадей. В технике – растворитель смол, жиров, йода.
С сульфидами металлов CS 2 образует соли тиоугольной кислоты – тиокарбонаты.
Эта реакция аналогична процессу
Тиокарбонаты – желтые кристаллические вещества. При действии на них кислот выделяется свободная тиоугольная кислота.
Она более стабильна чем Н 2 СО 3 и при низкой температуре выделяется из раствора в виде желтой маслянистой жидкости, легко разлагающейся на:
Соединения углерода с азотом (СN) 2 или С 2 N 2 – дициан, легко воспламеняющийся бесцветный газ. Чистый сухой дициан получают путем нагревания сулемы с цианидом ртути (II).
HgCl 2 + Hg(CN) 2 ® Hg 2 Cl 2 + (С N) 2
Другие способы получения:
4HCN г + О 2 2(CN) 2 +2H 2 O
2HCN г + Сl 2 (CN) 2 + 2HCl
Дициан по свойствам похож на галогены в молекулярной форме X 2 . Так в щелочной среде он, подобно галогенам, диспропорционирует:
(С N) 2 + 2NaOH = NaCN + NaOCN
Циановодород - НСN (), ковалентное соединение, газ, растворяющийся в воде с образованием синильной кислоты (бесцветная жидкость и ее соли чрезвычайно ядовиты). Получают:
Циановодород получают в промышленности по каталитическим реакциям.
2CH 4 + 3O 2 + 2NH 3 ® 2HCN + 6H 2 O.
Соли синильной кислоты – цианиды, подвержены сильному гидролизу. CN - - ион изоэлектронный молекуле СО, входит как лиганд в большое число комплексов d-элементов.
Обращение с цианидами требует строгого соблюдения мер предосторожности. В сельском хозяйстве применяют для борьбы с особо опасными насекомыми – вредителями.
Цианиды получают:
Соединения углерода с отрицательной степенью окисления :
1) ковалентные (SiC карборунд) 
;
2) ионноковалентные;
3) металлические карбиды.
Ионноковалентные разлагаются водой с выделением газа, в зависимости от того какой выделяется газ, их делят на:
метаниды (выделяется СН 4)
Al 4 C 3 + 12H 2 O ® 4Al(OH) 3 + 3CH 4
ацетилениды (выделяется С 2 Н 2)
H 2 C 2 + AgNO 3 ® Ag 2 C 2 + HNO 3
Металлические карбиды – соединения стехиометрического состава образованные элементами 4, 7, 8 групп посредством внедрения атомов Ме в кристаллическую решетку углерода.
Химия кремния
Отличие химии кремния от углерода обусловлено большими размерами его атома и возможностью использования 3d-орбиталей. Из-за этого связи Si – O - Si, Si - F более прочны, чем у углерода.
Для кремния известны оксиды состава SiO и SiO 2 .Монооксид кремния существует только в газовой фазе при высоких температурах в инертной атмосфере; он легко окисляется кислородом с образованием более стабильного оксида SiO 2 .
2SiO + О 2 t ® 2SiO 2
SiO 2 – кремнезем, имеет несколько кристаллических модификаций. Низкотемпературная – кварц, обладает пьезоэлектрическими свойствами. Природные разновидности кварца: горный хрусталь, топаз, аметист. Разновидности кремнезема – халцедон, опал, агат, песок.
Известно большое разнообразие силикатов (точнее оксосиликатов). В строении их общая закономерность: все состоят из тетраэдров SiO 4 4- которые через атом кислорода соединены друг с другом.
Сочетания тетраэдров могут соединяться в цепочки, ленты, сетки и каркасы.
Важные природные силикаты 3MgO×H 2 O×4SiO 2 тальк, 3MgO×2H 2 O×2SiO 2 асбест.
Как и для SiO 2 для силикатов характерно (аморфное) стеклообразное состояние. При управляемой кристаллизации можно получить мелкокристаллическое состояние – ситаллы – материалы повышенной прочности. В природе распространены алюмосиликаты – каркасные ортосиликаты, часть атомов Si заменены на Al, например Na 12 [(Si,Al)O 4 ] 12 .
Наиболее прочный галогенид SiF 4 разлагается только под действием электрического разряда.
Гексафторокремниевая кислота (по силе близка к H 2 SO 4).
(SiS 2) n – полимерное вещество, разлагается водой:
Кремниевые кислоты.
Соответствующие SiO 2 кремниевые кислоты не имеют определенного состава, обычно их записывают в виде xH 2 O ySiO 2 – полимерные соединения
Известны:
H 2 SiO 3 (H 2 O×SiO 2) – метакремниевая (не существует реально)
H 4 SiO 4 (2H 2 O×SiO 2) – ортокремниевая (простейшая реально существующая только в растворе)
H 2 Si 2 O 5 (H 2 O×2SiO 2) – диметакремниевая.
Кремниевые кислоты – плохо растворимые вещества, для H 4 SiO 4 характерно коллоидное состояние, как кислота слабее угольной (Si менее металличен, чем С).
В водных растворах идет конденсация ортокремневой кислоты, в результате образуются поликремниевые кислоты.
Силикаты – соли кремневых кислот, в воде нерастворимы, кроме силикатов щелочных металлов.
Растворимые силикаты гидролизуются по уравнению
Желеобразные растворы натриевых солей поликремневых кислот называются «жидким стеклом». Широко применяются как силикатный клей и в качестве консерванта древесины.
Сплавлением Na 2 CO 3 , CaCO 3 и SiO 2 получают стекло, которое является переохлажденным взаимным раствором солей поликремниевых кислот.
6SiO 2 + Na 2 CO 3 + CaCO 3 ® Na 2 O × CaO × 6SiO 2 + 2CO 2 Силикат записан как смешанный оксид.
Силикаты больше всего используются в строительстве. 1 место в мире по выпуску силикатной продукции – цемент, 2-е – кирпич, 3 – стекло.
Строительная керамика – облицовочная плитка, керамические трубы. Для изготовления санитарно-технических изделий – стекло, фарфор, фаянс, глиняная керамика.
Для σ-связей характерно такое расположение перекрывающихся электронных облаков, при котором ось облака совпадает с линией, соединяющей центры атомов.
Пусть имеется молекула CR 4 ; причем все связи в ней строго ковалентны; введем в эту молекулу заместитель X так, чтобы получилось соединение CR 3 X. Теперь электронная плотность распределена уже иначе: атом углерода или приобрел, или потерял часть заряда электронного облака - стал или положительным, или отрицательным по сравнению с его состоянием в исходной молекуле. Соответственно и атом заместителя также получил какой-то заряд. Условились обозначать этот эффект термином «индуктивность», а знак индуктивности принимать таким, чтобы он совпадал со знаком заряда, возникшего на атоме заместителя.
Индуктивный эффект положителен (+I), если
Индуктивный эффект отрицателен (-I), если
где δ - избыточный заряд на каждом из атомов. Стрелка показывает направления смещения электронной плотности. Индуктивный эффект не ограничивается одной связью; он распространяется по связям, быстро ослабевая. Индуктивный эффект растет с увеличением заряда, создаваемого заместителем. Энергичное притяжение электронов, характерное для металлоидных атомов, выражается в сильном отрицательном индуктивном эффекте (-I-эффект); наоборот, отрицательный ион кислорода склонен отдавать электроны и проявляет положительный (+I-эффект). Ненасыщенные связи С-С характеризуются отрицательным эффектом, т, е. они притягивают «на связь» электроны; радикалы метил- и н-алкилы обнаруживают положительный эффект.
Индуктивные эффекты вызывают смещение плотности σ-электронов и позволяют в общих чертах предвидеть, где именно в данной молекуле можно ожидать сосредоточивание отрицательных, а где положительных зарядов. Электронный «остов» молекулы не абсолютно жесткий, и, хотя σ-связи под влиянием различных соседних групп более или менее поляризованы, приближение к данной связи какого-либо постороннего иона или действие внешнего поля могут усилить или ослабить поляризацию. Этот дополнительный эффект называют динамическим эффектом; он, в частности, проявляется в особенно легкой деформируемости связей углерод - иод по сравнению с деформируемостью связей углерод - фтор или хлор.
.Сравнительная характеристика ММО и МВС
Оба квантовомеханических подхода к описанию химической связи √ ММО и МВС √ приближенны, ММО придает преувеличенное значение делокализации электрона в молекуле и основывается на одноэлектронных волновых функциях √ молекулярных орбиталях. МВС преувеличивает роль локализации электронной плотности и основывается на том, что элементарная связь осуществляется только парой электронов между двумя атомами.
Сравнивая МВС м ММО, следует отметить, что достоинством первого является его наглядность: насыщаемость связи объясняется как максимальная ковалентность, направленность вытекает из направленности атомных и гибридных орбиталей; дипольный момент молекулы складывается из дипольных моментов связей, разности ОЭО атомов, образующих молекулу, и наличия неподеленных электронных пар.
Однако существование некоторых соединений невозможно объяснить с позиций МВС. Это электронодефицитные соединения (B 2 H 6 , NO,) и соединения благородных газов. Их строение легко объясняет ММО. Устойчивость молекулярных ионов и атомов в сравнении с молекулами легко предсказывается с позиции ММО. И, наконец, магнетизм и окраска вещества также легко объясняются ММО.
Количественные расчеты в ММО, несмотря на свою громоздкость, все же гораздо проще, чем в МВС. Поэтому в настоящее время в квантовой химии МВС почти не применяется. В то же время качественно выводы МВС гораздо нагляднее и шире используются экспериментаторами, чем ММО. Основанием для этого служит тот факт, что реально в молекуле вероятность пребывания данного электрона между связанными атомами гораздо больше, чем на других атомах, хотя и там она не равна нулю. В конечном счете, выбор метода определяется объектом исследования и поставленной задачей.
26. Ковалентная связь (атомная связь, гомеополярная связь) - химическая связь, образованная перекрытием (обобществлением) пары валентных электронных облаков. Обеспечивающие связь электронные облака (электроны) называются общей электронной парой .
Характерные свойства ковалентной связи - направленность, насыщаемость, полярность, поляризуемость - определяют химические и физические свойства соединений.
Направленность связи обусловлена молекулярным строением вещества и геометрической формы их молекулы. Углы между двумя связями называют валентными.
Насыщаемость - способность атомов образовывать ограниченное число ковалентных связей. Количество связей, образуемых атомом, ограничено числом его внешних атомных орбиталей.
Полярность связи обусловлена неравномерным распределением электронной плотности вследствие различий в электроотрицательностях атомов. По этому признаку ковалентные связи подразделяются на неполярные и полярные.
Поляризуемость связи выражается в смещении электронов связи под влиянием внешнего электрического поля, в том числе и другой реагирующей частицы. Поляризуемость определяется подвижностью электронов. Полярность и поляризуемость ковалентных связей определяет реакционную способность молекул по отношению к полярным реагентам.
Образование связи
Простая ковалентная связь образуется из двух неспаренных валентных электронов, на один от каждого атома:
A· + ·В → А: В
В результате обобществления электроны образуют заполненный энергетический уровень. Связь образуется, если их суммарная энергия на этом уровне будет меньше, чем в первоначальном состоянии (а разница в энергии будет ни чем иным, как энергией связи).
Заполнение электронами атомных (по краям) и молекулярных (в центре) орбиталей в молекуле H 2 . Вертикальная ось соответствует энергетическому уровню, электроны обозначены стрелками, отражающими их спины.
Согласно теории молекулярных орбиталей, перекрывание двух атомных орбиталей приводит в простейшем случае к образованию двух молекулярных орбиталей (МО): связывающей МО и антисвязывающей (разрыхляющей) МО . Обобществленные электроны располагаются на более низкой по энергии связывающей МО.
]Виды ковалентной связи
Существуют три вида ковалентной химической связи, отличающихся механизмом образования:
1. Простая ковалентная связь . Для ее образования каждый из атомов предоставляет по одному неспаренному электрону. При образовании простой ковалентной связи формальные заряды атомов остаются неизменными.
§ Если атомы, образующие простую ковалентную связь, одинаковы, то истинные заряды атомов в молекуле также одинаковы, поскольку атомы, образующие связь, в равной степени владеют обобществлённой электронной парой. Такая связь называетсянеполярной ковалентной связью . Такую связь имеют простые вещества, например: О 2 , N 2 , Cl 2 . Но не только неметаллы одного типа могут образовывать ковалентную неполярную связь. Ковалентную неполярную связь могут образовывать также элементы-неметаллы, электроотрицательность которых имеет равное значение, например в молекуле PH 3 связь является ковалентной неполярной, так как ЭО водорода равна ЭО фосфора.
§ Если атомы различны, то степень владения обобществленной парой электронов определяется различием в электроотрицательностях атомов. Атом с большей электроотрицательностью сильнее притягивает к себе пару электронов связи, и его истинный заряд становится отрицательным. Атом с меньшей электроотрицательностью приобретает, соответственно, такой же по величине положительный заряд. Если соединение образуется между двумя различныминеметаллами, то такое соединение называется ковалентной полярной связью .
2. Донорно-акцепторная связь . Для образования этого вида ковалентной связи оба электрона предоставляет один из атомов - донор . Второй из атомов, участвующий в образовании связи, называется акцептором . В образовавшейся молекуле формальный заряд донора увеличивается на единицу, а формальный заряд акцептора уменьшается на единицу.
3. Семиполярная связь .Её можно рассматривать как полярную донорно-акцепторную связь. Этот вид ковалентной связи образуется между атомом, обладающим неподелённой парой электронов (азот, фосфор, сера, галогены и т. п.) и атомом с двумя неспаренными электронами (кислород, сера). Образование семиполярной связи протекает в два этапа:
1. Перенос одного электрона от атома с неподелённой парой электронов к атому с двумя неспаренными электронами. В результате атом с неподелённой парой электронов превращается в катион-радикал (положительно заряженная частица с неспаренным электроном), а атом с двумя неспаренными электронами - в анион-радикал (отрицательно заряженная частица с неспаренным электроном).
2. Обобществление неспаренных электронов (как в случае простой ковалентной связи).
При образовании семиполярной связи атом с неподелённой парой электронов увеличивает свой формальный заряд на единицу, а атом с двумя неспаренными электронами понижает свой формальный заряд на единицу.
]σ-связь и π-связь
Сигма (σ)-, пи ()-связи - приближенное описание видов ковалентных связей в молекулах различных соединений, σ-связь характеризуется тем, что плотность электронного облака максимальна вдоль оси, соединяющей ядра атомов. При образовании -связи осуществляется так называемое боковое перекрывание электронных облаков, и плотность электронного облака максимальна «над» и «под» плоскостью σ-связи. Для примера возьмем этилен, ацетилен и бензол.
В молекуле этилена С 2 Н 4 имеется двойная связь СН 2 =СН 2 , его электронная формула: Н:С::С:Н. Ядра всех атомов этилена расположены в одной плоскости. Три электронных облака каждого атома углерода образуют три ковалентные связи с другими атомами в одной плоскости (с углами между ними примерно 120°). Облако четвертого валентного электрона атома углерода располагается над и под плоскостью молекулы. Такие электронные облака обоих атомов углерода, частично перекрываясь выше и ниже плоскости молекулы, образуют вторую связь между атомами углерода. Первую, более прочную ковалентную связь между атомами углерода называют σ-связью; вторую, менее прочную ковалентную связь называют -связью.
В линейной молекуле ацетилена
Н-С≡С-Н (Н: С::: С: Н)
имеются σ-связи между атомами углерода и водорода, одна σ-связь между двумя атомами углерода и две -связи между этими же атомами углерода. Две -связи расположены над сферой действия σ-связи в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
Все шесть атомов углерода циклической молекулы бензола С 6 H 6 лежат в одной плоскости. Между атомами углерода в плоскости кольца действуют σ-связи; такие же связи имеются у каждого атома углерода с атомами водорода. На осуществление этих связей атомы углерода затрачивают по три электрона. Облака четвертых валентных электронов атомов углерода, имеющих форму восьмерок, расположены перпендикулярно к плоскости молекулы бензола. Каждое такое облако перекрывается одинаково с электронными облаками соседних атомов углерода. В молекуле бензола образуются не три отдельные -связи, а единая -электронная система из шести электронов, общая для всех атомов углерода. Связи между атомами углерода в молекуле бензола совершенно одинаковые.
\]Примеры веществ с ковалентной связью
Простой ковалентной связью соединены атомы в молекулах простых газов (Н 2 , Cl 2 и др.) и соединений (Н 2 О, NH 3 , CH 4 , СО 2 , HCl и др.). Соединения с донорно-акцепторной связью - аммония NH 4 + , тетрафторборат анион BF 4 − и др. Соединения с семиполярной связью - закись азота N 2 O, O − -PCl 3 + .
Кристаллы с ковалентной связью диэлектрики или полупроводники. Типичными примерами атомных кристаллов (атомы в которых соединены между собой ковалентными (атомными) связями могут служить алмаз, германий и кремний.
Единственным известным человеку веществом с примером ковалентной связи между металлом и углеродом является цианокобаламин, известный как витамин B12.
Химическая связь.
определение химической связи;
типы химических связей;
метод валентных связей;
основные характеристики ковалентной связи;
механизмы образования ковалентной связи;
комплексные соединения;
метод молекулярных орбиталей;
межмолекулярные взаимодействия.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
Химической связью называют взаимодействие между атомами, приводящее к образованию молекул или ионов и прочному удерживанию атомов друг около друга.
Химическая связь имеет электронную природу, т. е. осуществляется за счёт взаимодействия валентных электронов. В зависимости от распределения валентных электронов в молекуле, различают следующие виды связей: ионная, ковалентная, металлическая и др. Ионную связь можно рассматривать как предельный случай ковалентной связи между атомами, резко отличающимися по природе.
ТИПЫ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
Ионная связь.
Основные положения современной теории ионной связи.
Ионная связь образуется при взаимодействии элементов, резко отличающихся друг от друга по свойствам, т. е. между металлами и неметаллами.
Образование химической связи объясняется стремлением атомов к достижению устойчивой восьмиэлектронной внешней оболочки (s 2 p 6).
Ca: 1s 2 2s 2 p 6 3s 2 p 6 4s 2
Ca 2+ :
1s 2 2s 2 p 6 3s
2
p
6
Cl: 1s 2 2s 2 p 6 3s 2 p 5
Cl – :
1s 2 2s 2 p 6 3s
2
p
6
Образовавшиеся разноименно заряженные ионы удерживаются друг около друга за счёт электростатического притяжения.
Ионная связь не направленная.
Чисто ионной связи не существует. Так как энергия ионизации больше энергии сродства к электрону, то полного перехода электронов не происходит даже в случае пары атомов с большой разницей электроотрицательностей. Поэтому можно говорить о доле ионности связи. Наибольшая ионность связи имеет место во фторидах и хлоридах s-элементов. Так, в кристаллахRbCl,KCl,NaClиNaFона равна 99, 98, 90 и 97% соответственно.
Ковалентная связь.
Основные положения современной теории ковалентной связи.
Ковалентная связь образуется между элементами, сходными по свойствам, то есть, неметаллами.
Каждый элемент предоставляет для образования связей 1 электрон, причём спины электронов должны быть антипараллельными.
Если ковалентная связь образована атомами одного и того же элемента, то эта связь не полярная, т. е. общая электронная пара не смещена ни к одному из атомов. Если же ковалентная связь образована двумя разными атомам, то общая электронная пара смещена к наиболее электроотрицательному атому, это полярная ковалентная связь .
При образовании ковалентной связи происходит перекрывание электронных облаков взаимодействующих атомов, в результате, в пространстве между атомами возникает зона повышенной электронной плотности, притягивающая к себе положительно заряженные ядра взаимодействующих атомов, и удерживающая их друг около друга. Вследствие этого снижается энергия системы (рис. 14). Однако при очень сильном сближении атомов возрастает отталкивание ядер. Поэтому имеется оптимальное расстояние между ядрами (длина связи ,l св), при котором система имеет минимальную энергию. При таком состоянии выделяется энергия, называемая энергией связи – Е св.
Рис. 14. Зависимость энергии систем из двух атомов водорода с параллельными (1) и антипараллельными (2) спинами от расстояния между ядрами (Е – энергия системы, Е св – энергия связи,r– расстояние между ядрами,l – длина связи).
Для описания ковалентной связи используют 2 метода: метод валентных связей (ВС) и метод молекулярных орбиталей (ММО).
МЕТОД ВАЛЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ.
В основе метода ВС лежат следующие положения:
1. Ковалентная химическая связь образуется двумя электронами с противоположно направленными спинами, причем эта электронная пара принадлежит двум атомам. Комбинации таких двухэлектронных двухцентровых связей, отражающие электронную структуру молекулы, получили название валентных схем.
2. Ковалентная связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака.
Для наглядного изображения валентных схем обычно пользуются следующим способом: электроны, находящиеся во внешнем электронном слое обозначают точками, располагаемыми вокруг химического символа атома. Общие для двух атомов электроны показывают точками, помещаемыми между их химическими символами; двойная или тройная связь обозначается соответственно двумя или тремя парами общих точек:
N:
1s 2 2s
2
p
3
;
C: 1s 2 2s 2 p 4
Из приведенных схем видно, что каждая пара электронов, связывающая два атома, соответствует одной черточке, изображающей ковалентную связь в структурных формулах:
Число общих электронных пар, связывающих атом данного элемента с другими атомами, или, иначе говоря, число образуемых атомом ковалентных связей, называется ковалентностью по методу ВС. Так, ковалентность водорода равна 1, азота – 3.
По способу перекрывания электронных облаков, связи бывают двух видов: - связь и - связь.
- связь возникает при перекрывании двух электронных облаков по оси, соединяющей ядра атомов.
Рис. 15. Схема образования - связей.
- связь образуется при перекрывании электронных облаков по обе стороны от линии, соединяющей ядра взаимодействующих атомов.
Рис. 16. Схема образования - связей.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗИ.
1. Длина связи, ℓ. Это минимальное расстояние между ядрами взаимодействующих атомов, которое соответствует наиболее устойчивому состоянию системы.
2. Энергия связи, E min – это то количество энергии, которое необходимо затратить для разрыва химической связи и для удаления атомов за пределы взаимодействия.
3. Дипольный момент связи,
,=qℓ.
Дипольный момент служит количественной
мерой полярности молекулы. Для неполярных
молекул дипольный момент равен 0, для
неполярных не равен 0. Дипольный момент
многоатомной молекулы равен векторной
сумме диполей отдельных связей:
4. Ковалентная связь характеризуется направленностью. Направленность ковалентной связи определяется необходимостью максимального перекрывания в пространстве электронных облаков взаимодействующих атомов, которые приводят к образованию наиболее прочных связей.
Так как эти -связи строго ориентированы в пространстве, в зависимости от состава молекулы они могут находиться под определенным углом друг к другу – такой угол называется валентным.
Двухатомные молекулы имеют линейное строение. Многоатомные молекулы имеют более сложную конфигурацию. Рассмотрим геометрию различных молекул на примере образования гидридов.
1. VIгруппа, главная подгруппа (кроме кислорода), Н 2 S, Н 2 Sе, Н 2 Те.
S1s 2 2s 2 р 6 3s 2 р 4
У водорода в образовании связи участвует электрон с s-АО, у серы – 3р у и 3р z . Молекула Н 2 Sимеет плоское строение с углом между связями 90 0 . .
Рис 17. Строение молекулы Н 2 Э
2. Гидриды элементов Vгруппы, главной подгруппы: РН 3 , АsН 3 ,SbН 3 .
Р 1s 2 2s 2 р 6 3s 2 р 3 .
В образовании связи принимают участие: у водорода s-АО, у фосфора - р у, р х и р z АО.
Молекула РН 3 имеет форму тригональной пирамиды (в основании – треугольник).
Рис 18. Строение молекулы ЭН 3
5. Насыщаемость ковалентной связи - это число ковалентных связей, которые может образовывать атом. Оно ограничено, т.к. элемент обладает ограниченным количеством валентных электронов. Максимальное число ковалентных связей, которые может образовывать данный атом в основном или возбуждённом состоянии, называется его ковалентностью.
Пример: водород – одноковалентен, кислород – двухковалентен, азот – трёхковалентен и т. д.
Некоторые атомы могут повышать свою ковалентность в возбуждённом состоянии за счёт разъединения спаренных электронов.
Пример. Be 0 1s 2 2s 2
У атома бериллия в возбужденном состоянии один валентный электрон находится на 2p-АО и один электрон на 2s-АО, то есть ковалентностьBe 0 = 0 а ковалентностьBe* = 2. В ходе взаимодействия происходит гибридизация орбиталей.
Гибридизация - это выравнивание энергии различных АО в результате смешения перед химическим взаимодействием. Гибридизация - условный прием, позволяющий предсказать структуру молекулы при помощи комбинации АО. В гибридизации могут принимать участие те АО, энергии которых близки.
Каждому виду гибридизации соответствует определенная геометрическая форма молекул.
В случае гидридов элементов IIгруппы главной подгруппы в образовании связи участвуют две одинаковыеsр-гибридные орбитали. Подобный тип связи называетсяsр-гибридизация.
Рис 19. Молекула ВеН 2 .sp-Гибридизация.
sp-Гибридные орбитали имеют несимметричную форму, в сторону водорода направлены удлиненные части АО с валентным углом, равным 180 о. Поэтому молекула ВеН 2 имеет линейное строение (рис.).
Строение молекул гидридов элементов IIIгруппы главной подгруппы рассмотрим на примере образования молекулыBH 3 .
B 0 1s 2 2s 2 p 1
Ковалентность B 0 = 1, ковалентностьB* = 3.
В образовании связей принимают участие три sр-гибридные орбитали, которые образуются в результате перераспределения электронных плотностейs-АО и двух р-АО. Такой тип связи называетсяsр 2 - гибридизацией. Валентный угол приsр 2 - гибридизации равен 120 0 , поэтому молекула ВН 3 имеет плоское треугольное строение.
Рис.20. Молекула BH 3 . sp 2 -Гибридизация.
На примере образования молекулы СH 4 рассмотрим строение молекул гидридов элементовIVгруппы главной подгруппы.
C 0 1s 2 2s 2 p 2
Ковалентность C 0 = 2, ковалентностьC* = 4.
У углерода в образовании химической связи участвуют четыре sр-гибридные орбитали, образованные в результате перераспределения электронных плотностей междуs-АО и тремя р-АО. Форма молекулы СН 4 - тетраэдр, валентный угол равен 109 о 28`.
Рис. 21. Молекула СН 4 .sp 3 -Гибридизация.
Исключениями из общего правила являются молекулы Н 2 О иNН 3 .
В молекуле воды углы между связями равны 104,5 о. В отличии от гидридов других элементов этой группы, вода имеет особые свойства, она полярна, диамагнитна. Все это объясняется тем, что в молекуле воды тип связиsр 3 . То есть в образовании химической связи участвуют четыреsр - гибридные орбитали. На двух орбиталях находится по одному электрону, эти орбитали взаимодействуют с водородом, на двух других орбиталях находится по паре электронов. Наличие этих двух орбиталей и объясняет уникальные свойства воды.
В молекуле аммиака углы между связями равны примерно 107,3 о, то есть форма молекулы аммиака - тетраэдр, тип связиsр 3 . В образовании связи у молекулы азота принимает участие четыре гибридныеsр 3 -орбитали. На трех орбиталях находится по одному электрону, эти орбитали связаны с водородом, на четвертой АО находится неподеленная пара электронов, которая обуславливает уникальность молекулы аммиака.
МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗИ.
МВС позволяет различать три механизма образования ковалентной связи: обменный, донорно-акцепторный, дативный.
Обменный механизм . К нему относят те случаи образования химической связи, когда каждый из двух связываемых атомов выделяет для обобществления по одному электрону, как бы обмениваясь ими. Для связывания ядер двух атомов нужно, чтобы электроны находились в пространстве между ядрами. Эта область в молекуле называется областью связывания (область наиболее вероятного пребывания электронной пары в молекуле). Чтобы произошел обмен не спаренными электронами у атомов необходимо перекрывание атомных орбиталей (рис. 10,11). В этом и заключается действие обменного механизма образования ковалентной химической связи. Атомные орбитали могут перекрываться только в том случае, если они обладают одинаковыми свойствами симметрии относительно межъядерной оси (рис. 10, 11, 22).
Рис. 22. Перекрывание АО, не приводящее к образованию химической связи.
Донорно-акцепторный и дативный механизмы .
Донорно-акцепторный механизм связан с передачей неподеленной пары электронов от одного атома на вакантную атомную орбиталь другого атома. Например, образование иона - :
Вакантная р-АО в атоме бора в молекуле BF 3 акцептирует пару электронов от фторид-иона (донор). В образовавшемся анионе четыре ковалентные связи В-Fравноценны по длине и энергии. В исходной молекуле все три связи В-Fобразовались по обменному механизму.
Атомы, внешняя оболочка которых состоит только из s- или р-электронов, могут быть либо донорами, либо акцепторами неподеленной пары электронов. Атомы, у которых валентные электроны находятся и наd-АО, могут одновременно выступать и в роли доноров, и в роли акцепторов. Чтобы различить эти два механизма ввели понятия дативного механизма образования связи.
Простейший пример проявления дативного механизма - взаимодействие двух атомов хлора.
Два атома хлора в молекуле хлора образуют ковалентную связь по обменному механизму, объединяя свои неспаренные 3р-электроны. Кроме того, атом Сl- 1 передает неподеленную пару электронов 3р 5 - АО атому Сl- 2 на вакантную 3d-АО, а атом Сl- 2 такую же пару электронов на вакантную 3d-АО атома Сl- 1. Каждый атом выполняет одновременно функции акцептора и донора. В этом и есть дативный механизм. Действие дативного механизма повышает прочность связи, поэтому молекула хлора прочнее молекулы фтора.
КОМПЛЕКСНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.
По принципу донорно-акцепторного механизма образуется огромный класс сложных химических соединений - комплексные соединения.
Комплексные соединения - это соединения, имеющие в своем составе сложные ионы, способные к существованию как в кристаллическом виде, так и в растворе, включающие центральный ион или атом, связанный с отрицательно заряженными ионами или нейтральными молекулами ковалентными связями, образованными по донорно-акцепторному механизму.
Структура комплексных соединений по Вернеру.
Комплексные соединения состоят из внутренней сферы (комплексный ион) и внешней сферы. Связь между ионами внутренней сферы осуществляется по донорно-акцепторному механизму. Акцепторы называются комплексообразователями, ими часто могут быть положительные ионы металлов (кроме металлов IAгруппы), имеющие вакантные орбитали. Способность к комплексообразованию возрастает с увеличением заряда иона и уменьшением его размера.
Доноры электронной пары называются лигандами или аддендами. Лигандами являются нейтральные молекулы или отрицательно заряженные ионы. Количество лигандов определяется координационным числом комплексообразователя, которое, как правило, равно удвоенной валентности иона-комплексообразователя. Лиганды бывают монодентантными и полидентантными. Дентантность лиганда определяется числом координационных мест, которые лиганд занимает в координационной сфере комплексообразователя. Например, F - - монодентантный лиганд,S 2 O 3 2- - бидентантный лиганд. Заряд внутренней сферы равен алгебраической сумме зарядов составляющих ее ионов. Если внутренняя сфера имеет отрицательный заряд – это анионный комплекс, если положительный – катионный. Катионные комплексы называют по имени иона-комплексообразователя по-русски, в анионных комплексах комплексообразователь называется по-латыни с добавлением суффикса –ат . Связь между внешней и внутренней сферами в комплексном соединении – ионная.
Пример: K 2 – тетрагидроксоцинкат калия, анионный комплекс.
2- - внутренняя сфера
2K + - внешняя сфера
Zn 2+ - комплексообразователь
OH – - лиганды
координационное число – 4
связь между внешней и внутренней сферами ионная:
K 2 = 2K + + 2- .
связь между ионом Zn 2+ и гидроксильными группами – ковалентная, образованная по донорно-акцепторному механизму:OH – - доноры,Zn 2+ - акцептор.
Zn 0: … 3d 10 4s 2
Zn 2+ : … 3d 10 4s 0 p 0 d 0
Типы комплексных соединений :
1. Аммиакаты - лиганды молекулы аммиака.
Cl 2 – хлорид тетраамминмеди (II). Аммиакаты получают действием аммиака на соединения, содержащие комплексообразователь.
2. Гидроксосоединения - лиганды ОН - .
Na – тетрагидроксоалюминат натрия. Получают гидроксокомплексы действием избытка щелочи на гидроксиды металлов, обладающие амфотерными свойствами.
3. Аквакомплексы - лиганды молекулы воды.
Cl 3 – хлорид гексааквахрома (III). Аквакомплексы получают взаимодействием безводных солей с водой.
4. Ацидокомплексы - лиганды анионы кислот – Cl - ,F - ,CN - ,SO 3 2- ,I – ,NO 2 – ,C 2 O 4 – и др.
K 4 – гексацианоферрат (II) калия. Получают взаимодействием избытка соли, содержащей лиганд на соль, содержащую комплексообразователь.
МЕТОД МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОРБИТАЛЕЙ.
МВС
достаточно хорошо объясняет образование
и структуру многих молекул, но этот
метод не универсален. Например, метод
валентных связей не даёт удовлетворительного
объяснения существованию иона
,
хотя еще в конце XIX
века было установлено существование
довольно прочного молекулярного иона
водорода
:
энергия разрыва связи составляет здесь
2,65эВ. Однако никакой электронной пары
в этом случае образовываться не может,
поскольку в состав иона
входит всего один электрон.
Метод молекулярных орбиталей (ММО) позволяет объяснить ряд противоречий, которые нельзя объяснить, используя метод валентных связей.
Основные положения ММО.
При взаимодействии двух атомных орбиталей, образуются две молекулярные орбитали. Соответственно, при взаимодействии n-атомных орбиталей, образуется n-молекулярных орбиталей.
Электроны в молекуле в равной степени принадлежат всем ядрам молекулы.
Из двух образовавшихся молекулярных орбиталей, одна обладает более низкой энергией, чем исходная, это связывающая молекулярная орбиталь , другая обладает более высокой энергией чем исходная, это разрыхляющая молекулярная орбиталь .
В ММО используют энергетические диаграммы без масштаба.
При заполнении энергетических подуровней электронами, используют те же правила, что и для атомных орбиталей:
принцип минимальной энергии, т.е. в первую очередь заполняются подуровни, обладающие меньшей энергией;
принцип Паули: на каждом энергетическом подуровне не может быть больше двух электронов с антипараллельными спинами;
правило Хунда: заполнение энергетических подуровней идёт таким образом, чтобы суммарный спин был максимальным.
Кратность связи. Кратность связи в ММО определяется по формуле:
,
когда К p
= 0, связь не образуется.
Примеры.
1. Может ли существовать молекула Н 2 ?
Рис. 23. Схема образования молекулы водорода Н 2 .
Вывод: молекула Н 2 будет существовать, так как кратность связи Кр > 0.
2. Может ли существовать молекула Не 2 ?
Рис. 24. Схема образования молекулы гелия He 2 .
Вывод: молекула Не 2 не будет существовать, так как кратность связи Кр = 0.
3. Может ли существовать частица Н 2 + ?
Рис. 25. Схема образования частицы Н 2 + .
Частица Н 2 + может существовать, так как кратность связи Кр > 0.
4. Может ли существовать молекула О 2 ?
Рис. 26. Схема образования молекулы О 2 .
Молекула О 2 существует. Из рис.26 следует, что у молекулы кислорода имеется два неспаренных электрона. За счет этих двух электронов молекула кислорода парамагнитна.
Таким образом метод молекулярных орбиталей объясняет магнитные свойства молекул.
МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ.
Все межмолекулярные взаимодействия можно разделить на две группы: универсальные испецифические . Универсальные проявляются во всех молекулах без исключения. Эти взаимодействия часто называютсвязью или силами Ван-дер-Ваальса . Хотя эти силы слабые (энергия не превышает восемь кДж/моль), они являются причиной перехода большинства веществ из газообразного состояния в жидкое, адсорбции газов поверхностями твердых тел и других явлений. Природа этих сил электростатическая.
Основные силы взаимодействия:
1). Диполь – дипольное (ориентационное) взаимодействие существует между полярными молекулами.
Ориентационное взаимодействие тем больше, чем больше дипольные моменты, меньше расстояния между молекулами и ниже температура. Поэтому чем больше энергия этого взаимодействия, тем до большей температуры нужно нагреть вещество, чтобы оно закипело.
2). Индукционное взаимодействие осуществляется, если в веществе имеется контакт полярных и неполярных молекул. В неполярной молекуле индуцируется диполь в результате взаимодействия с полярной молекулой.
Cl + - Cl - … Al + Cl - 3
Энергия этого взаимодействия возрастает с увеличением поляризуемости молекул, то есть способности молекул к образованию диполя под воздействием электрического поля. Энергия индукционного взаимодействия значительно меньше энергии диполь-дипольного взаимодействия.
3). Дисперсионное взаимодействие – это взаимодействие неполярных молекул за счет мгновенных диполей, возникающих за счет флуктуации электронной плотности в атомах.
В ряду однотипных веществ дисперсионное взаимодействие возрастает с увеличением размеров атомов, составляющих молекулы этих веществ.
4) Силы отталкивания обусловлены взаимодействием электронных облаков молекул и проявляются при их дальнейшем сближении.
К специфическим межмолекулярным взаимодействиям относятся все виды взаимодействий донорно-акцепторного характера, то есть, связанные с переносом электронов от одной молекулы к другой. Образующаяся при этом межмолекулярная связь обладает всеми характерными особенностями ковалентной связи: насыщаемостью и направленностью.
Химическая связь, образованная положительно поляризованным водородом, входящим в состав полярной группы или молекулы и электроотрицательным атомом другой или той же молекулы, называется водородной связью. Например, молекулы воды можно представить следующим образом:
Сплошные черточки – ковалентные полярные связи внутри молекул воды между атомами водорода и кислорода, точками обозначены водородные связи. Причина образования водородных связей состоит в том, что атомы водорода практически лишены электронных оболочек: их единственные электроны смещены к атомам кислорода своих молекул. Это позволяет протонам, в отличие от других катионов, приближаться к ядрам атомов кислорода соседних молекул, не испытывая отталкивания со стороны электронных оболочек атомов кислорода.
Водородная связь характеризуется энергией связи от 10 до 40 кДж/моль. Однако этой энергии достаточно, чтобы вызвать ассоциацию молекул, т.е. их ассоциацию в димеры или полимеры, которые в ряде случаев существуют не только в жидком состоянии вещества, но сохраняются и при переходе его в пар.
Например, фтороводород в газовой фазе существует в виде димера.
В сложных органических молекулах существуют как межмолекулярные водородные связи так и внутримолекулярные водородные связи.
Молекулы с внутримолекулярными водородными связями не могут вступать в межмолекулярные водородные связи. Поэтому вещества с такими связями не образуют ассоциатов, более летучи, имеют более низкие вязкости, температуры плавления и кипения, чем их изомеры, способные образовывать межмолекулярные водородные связи.