Химическая связь.

Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами и способная к самостоятельному существованию.

Линия связи - воображаемые прямые, проходящие через ядра связанных атомов.

Длина связи (d) - расстояние между ядрами связанных атомов (определяется экспериментально):

H-O-H d=0,096 нм

H



H-N-H d=0,1015 нм

Угол между линиями двух связей одного и того же атома называется валентным углом.

HOH = 104,5 Молекула HOH - угловая.

NH₃ = 107,3 Молекула NH₃ - пирамидальная.

Геометрическая модель молекулы показывает расположение атомов в пространстве, т.е. указывает валентные углы и длины связей в молекуле.

Энергия атомизации молекулы (D) - это энергия, необходимая для полной диссоциации молекулы на свободные атомы (H₂O_(г) = 2H + O, D = 928 кДж/моль)

Энергией связи называется та часть энергии атомизации молекулы, которая приходится на данную связь. Энергии связи - табличные величины, имеют порядок 100-1000 кДж/моль.

Химической связью называется взаимодействие двух или нескольких атомов, обусловливающее образование химически устойчивой многоатомной системы и характеризующееся существенной перестройкой электронных оболочек связывающихся атомов.

Двухатомные молекулы могут быть гомоядерные и гетероядерные. Если эффективные заряды атомов равны нулю, то такая связь называется неполярной.

Диполем называется система двух разноименных электрических зарядов одинаковой абсолютной величины (q), расположенных на расстоянии l.

Дипольный момент =q_*l

Полярной связью называется химическая связь, обладающая дипольным моментом.

Также как связи, молекулы могут быть полярными и неполярными в зависимости от дипольного момента.

H₂O NH₃ BeF₃ CO₂

Дипольный момент молекулы есть суммарный дипольный момент всех связей в молекуле с учетом дипольных моментов, обусловленных неподеленными парами: HOH, NH₃ - полярны; BeF_3, CO₂ - неполярны.

Полярность связи определяется смещением электронного облака связи к более электроотрицательному элементу. Чем больше разность электроотрицательности, тем более смещено электронное облако связи.

Под валентностью понимают способность атома образовывать химические связи с другими атомами или группой атомов.

В 1916 году были выдвинуты две теории химической связи. Льюис (США) предположил, что химическая связь образуется за счет общей электронной пары, принадлежащей обоим атомам. Коссель (Германия) выдвинул ионную теорию химической связи: молекулы образуются за счет электростатического притяжения разноименнозаряженных ионов. Согласно этой теории, электрон полностью переходит от одного атома, приобретающего положительный заряд +1, к другому, получающему заряд -1. Однако такой процесс никогда не проходит количественно.

Преимущественно ионная связь образуется между атомами, сильно отличающимися по электроотрицательности, это предельный случай полярной ковалентной связи.

Соединения с преимущественно ионной связью имеют малую устойчивость по отношению к распаду на ионы, например, при диссоциации в растворе.Энергия ионной связи не меньше энергии ковалентной связи.

Ионная теория не объясняет угловые, пирамидальные, квадратные молекулы, а также спектры и магнитные свойства соединений.

Таким образом, ионная теория может быть применима только к галогенидам щелочных металлов.

В 30-х годах XX века для описания и квантово-механической трактовки химических связей в молекулах было предложено два упрощенных полуэмпирических метода: метод валентных связей (Полинг, Слэйтер) и метод молекулярных орбиталей (Гунд, Хюккель, Малликен).

(Построение молекулы Н₂ по методу МО, невозможность существования молекулы Не₂).

В основе метода ВС лежат следующие положения: единичную химическую связь образуют два электрона с антипараллельными спинами, принадлежащие разным атомам; ковалентная связь тем прочнее, чем больше перекрываются облака связующих электронов; химическая связь образуется в том направлении, в котором достигается максимальное перекрывание валентных орбиталей.

Механизм образования ковалентной связи:

а) обобществление электронов (Н₂)

б) донорно-акцепторный механизм (NH₄⁺)

-, -, - связи

Одинарной называется химическая связь, осуществляемая одной электронной парой. (H₂, HCL, F₂). Одинарные связи практически всегда представляют собой -связи.

-связью называется химическая связь, при которой через линию связи не проходит ни одной узловой плоскости.

S-S перекрывание S-p перекрывание p-p перекрывание

Химическая связь осуществляемая более чем одной электронной парой, называется кратной связью. Кратность связи - число общих электронных пар, участвующих в образовании связи.

-связью называется химическая связь, при которой через линию связи проходит одна узловая плоскость.

р-р перекрывание p-d перекрывание d-d перекрывание

-связью называется химическая связь, при которой через линию связи проходят 2 узловые плоскости.

d-d перекрывание

В основе теории направленных валентностей в рамках метода валентных связей лежит принцип максимального перекрывания атомных орбиталей.

Максимальное перекрывание атомных орбиталей H и O в молекуле воды будет достигнуто, если атомы водорода приблизятся к атому кислорода по направлениям осей р_x и р_y. В результате угол между связями O - H валентный угол HOH должен быть равен 90 и молекула будет угловой. Действительно, молекула воды угловая; правда угол HOH=104,5. При образовании молекулы аммиака происходит перекрывание р-орбиталей азота и s-орбиталей атомов водорода и , очевидно, угол между связями должен быть равен 90 и молекула будет пирамидальной, что и наблюдается в действительности (правда угол HNH равен 107,3. Эксперимент показал, что в молекуле метана все связи равноценны и все углы равны 109,5, т.е. направлены к вершинам тетраэдра. Для того чтобы согласовать теоретические выводы о строении молекул с экспериментальными данными, Полинг ввел концепцию гибридных орбиталей.

s-p³ гибридизация:

H₂O CH₄ NH₃

s-p² гибридизация

BCl₃ (BF₃) CH₂=CH₂

s-p гибридизация

BeCl₂ HCCH

6--электронная система бензола:

Свойства ковалентной химической связи.

Насыщаемость - способность атома осуществлять не произвольное, а строго определенное количество химических связей, ограниченное его максимальной валентностью.

Направленность ковалентной связи обусловлена сложной конфигурацией атомных орбиталей.

Невалентные силы сцепления. К невалентным силам сцепления условно относят водородную и металлическую связь, а также межмолекулярное взаимодействие.

Водородная связь.

Водородной связью называется связь двух сильно электроотрицательных атомов посредством атома водорода RX-H + :YR^* = RX-H^....:YR^*

Состояние атома водорода приближается к состоянию иона Н⁺, т.е. протона, который обладает уникальными свойствами (не имеет электронной оболочки, т.о. не отталкивается от электронных оболочек других атомов, мал по размеру).Типичная водородная связь имеет в основном электростатический характер, она слабая.

Водородные связи весьма распространены. Даже в парах фтороводородная кислота существует в виде молекул (HF)_n, (n=4,5,6). Лед и жидкая вода, белки, ДНК, РНК - структуры, связанные водородными связями. Жидкости с водородными связями кипят при более высоких температурах.

Если вещество способно образовывать водородные связи с растворителем, его растворимость повышается.

Металлическая связь.

Металлические свойства присущи некоторым веществам в конденсированном состоянии. Они обусловлены металлической связью. Отличительными особенностями металлического состояния являются высокая тепло- и электропроводность. Из этих свойств следует, что хотя бы часть электронов может двигаться по всему объему металла. Вещества с металлической связью имеют металлическую кристаллическую решетку. Металлическая связь - делокализована.

Межмолекулярное взаимодействие (силы Ван-дер-Ваальса)

Этими силами определяется, в каком агрегатном состоянии находится данное вещество, как велики расстояния между образующими его частицами, какова степень свободы этих частиц, в каких соотношениях находится средняя потенциальная энергия этих частиц и их кинетическая энергия. Различают три вида межмолекулярного взаимодействия: ориентационное, индукционное, дисперсионное.

Задания:

1. Сравнить механизмы образования ковалентных связей в молекулах СН₄, NH₃, ионе NH₄⁺. Могут ли существовать ионы СН₅⁺ и NH₅⁺²?

1. Дипольный момент молекулы CS₂ равен 0. Каким типом гибридизации АО углерода описывается образование этой молекулы? Объяснить.

1. Молекула оксида углерода (iv) имеет нулевой дипольный момент. В то же время электроотрицательности С и О сильно различаются. Как объяснить «кажущееся» противоречие?

1. Как меняется прочность связи в ряду HF - HCl - HBr - HI? B чем причина изменения прочности связи?

1. Молекула BF₃имеет плоскостную структуру, а NF₃ - объемную (пирамидальную). В чем причина различия в строении молекул?

1. Почему молекула CF₄ имеет тетраэдрическую, COF₂ - треугольную, а СО₂ - линейную формы? Каково гибридное состояние валентных орбиталей атома углерода в данных молекулах?