7 Вопрос

7. Типы и механизмы образования химической связи. Гибридизация атомных орбиталей. Полярность связи и молекул.

Хим.связь (ХС)-взаимодействие атомов, обусловливающее их соединение в молекулы и кристаллы. Различают 3 основных типа ХС: ковалентную, ионную, металлическую, а также специфические связи – донорно-акцепторную и водородную.

Образование ХС – стремление атома иметь более устойчивую электронную оболочку (8ē, или для элементов первого периода 2ē) и придти в состояние, характеризующееся min энергией.

 С помощью таблицы электроотрицательности ЭО атомов (см.приложение) можно предвидеть, как распределена электронная плотность между двумя химически связанными атомами в молекуле или сложном ионе.

 Ковалентная ХС – осуществляется путем образования общих электронных пар между атомами преимущественно неметаллов с близкой или одинаковой электроотрицательностью. DЭО = от 0 до 1,7, где DЭО – разность электроотрицательностей двух атомов.

Ковалентная неполярная связь или 100%-но ковалентная ХС

(DЭО = 0): Н₂; Гал₂; О₂; N₂; CS₂; H₂Te

Ковалентно-полярная связь или полярная связь с долей ионности (с долей смещения ē пары в сторону более ЭО атома): NH₃, H₂O, НГал, СН₄, SO₂, PCI₃, BCI₃…(DЭО двух атомов >0, но <1,7). Чем ­ различие ЭО двух атомов, тем ­ полярность связи, т.е.­ доля ионности.

Координационная ХС или полярная ХС по донорно-акцепторному механизму. Один атом донор [(-) ион лиганда – молекулы или простой (-) ион] дает для обобществления свою элекронную пару, а второй – акцептор [(+) ион комплексообразователя] принимает эту ē пару на свою пустую атомную орбиталь. Этот тип связи возникает в комплексных ионах.

 

[Fe⁺²(CN)₆]^4-; [Cu⁺²(NH₃)₄]²⁺; [AI⁺³(OH)₆]^3-; [Ag⁺¹(NH₃)₂]⁺…Например,

 

[Cu⁺²(NH₃)₄]²⁺       Лиганды         Координационное число     H₃N         ₊₂    NH₃

                                                                                                                  Cu

                                          Комплексообразователь                   H₃N               NH₃

 

ЭО (N)> ЭО (Н), поэтому атом азота в молекуле NH₃ – донор ē пары.

                             (+) Ион Cu²⁺ - акцептор 4-х ē пар.

Ионная ХС с долей ковалентности (с долей обобществления электронов) т.е. 100% -ной ионной связи нет. Возникает между атомами типичного металла (низкое значение ЭО) и атомом типичного неметалла (высокое значение ЭО атома). DЭО двух атомов > 1,7. Образуется в результате электрического притяжения двух разноименно заряженных ионов: NaCI, CsF, BaCI₂,…

Металлическая ХС образуется в металлах Ме в результате электрического притяжения между (+) ионами Ме и свободными ē.

Водородная ХС межмолекулярная и внутримолекулярная.

Межмолекулярная водородная ХС возникает между молекулами, в состав которых входит атом Н и атом сильно электроотрицательного элемента: F, O, N – (H₂O)_n, (HF)_n, (NH₃)_n, (CH₃OH)_n. ВХС сшивает молекулы веществ в ассоциаты, увеличивая молекулярную массу вещества и изменяет свойства вещества.

Внутримолекулярная водородная ХС имеет место в белках и полипептидах.

По ряду: КНХС®КПХС»К_цХС®ИХС®ВХС прочность ХС уменьшается.

Механизмы образования ХС

1.Обменный механизм – основан на следующих положениях:

- каждый атом отдает на образование общей электронной пары по одному неспаренному электрону;

- число неспаренных электронов у атома в основном или возбужденном состоянии определяет валентность (для s- и p-элементов это неспаренные электроны внешних оболочек; для d- и f-элементов – внешних, предвнешних, предпредвнешних оболочек).

Для большинства d- и f-элементов на внешних оболочках в основном состоянии нет неспаренных электронов, поэтому их валентность равна нулю. В таком состоянии неспаренные электроны d- и f-подоболочек не могут образовывать электронные пары с электронами других атомов, так как закрыты электронами внешней оболочки. При возбуждении атома распаренные электроны внешней оболочки вступают в хим.связь и открывают внутренние электронные оболочки.

Например: валентность железа в основном состоянии (4s²3d⁶4p⁰) равна нулю, а в возбужденном состоянии (4s¹3d⁶4p¹) равна 6. Спаренные d-электроны при этом не могут разъединиться, потому что в 3-ей оболочке нет вакантных орбиталей.

2. Донорно-акцепторный механизм – основан на положениях:

- общая электронная пара образуется за счет неподеленной пары электронов одного атома (донора) и вакантной орбитали другого атома или иона (акцептора);

- суммарная валентность атома определяется суммой неспаренных электронов и связей, образованных по донорно-акцепторному механизму.

Например: в молекуле аммиака азот имеет неподеленную пару электронов, а у иона водорода имеется свободная орбиталь. При достаточном сближении молекулы NH₃ и иона Н⁺ двухэлектронное облако азота попадает в сферу притяжения иона водорода и становится общим и для атома азота, и для атома водорода, образуется еще одна связь N-H. Поэтому в ионе аммония NH₄⁺ азот проявляет валентность=4, т.к. с водородом он образует 3 ковалентные связи по обменному механизму и 1 по донорно-акцепторному механизму.

Гибридизация АО

· энергия Е связи (чем ­ Е связи, тем ­ прочность связи);

· длина d связи (чем ¯ d связи, тем­ прочность связи);

· угол между химическими связями (определяет строение молекулы)

Молекула	Угол между ХС. Тип гибридизации АО	Геометрия молекулы, полярность молекулы
Двухатомные молекулы типа А2или АВ	Понятие «угол между ХС» не имеет смысла	Линейная, плоская неполярная. (А2) или полярная (АВ)
Трехатомные молекулы H2S, H2Sе, H2Te	Угол близок к 90^0. Гибридизация АО (Э) отсутствует	Угловая  (плоская), полярная или неполярная (Н2Те)
Четырехатомные молекулы AsH3, SbH3	Угол близок к 90^0. Гибридизация АО (Э) отсутствует.	Пирамида, полярная
Трехатомные молекулы BеCI2, HgCI2, ZnCI2 … CO2, CS2	Угол равен 180^0. sp гибридизация АО (Э)	Линейная, неполярная
Четырехатомные BCI3, BF3, BI3 …	Угол равен 120^0. sp^2 гибридизация АО (Э)	Угловая (плоская)  неполярная
Трехатомная SO2	Угол равен 120^0. sp^2 гибридизация АО (Э)	Угловая (плоская),                           полярная
Пятиатомные CH4, SiH4, CГал4, SiГал4, [NH4]^+,	Угол равен 109^028^1. sp^3 гибридизация АО центрального атома	Тетраэдрическая,  неполярная
NH3, РН3, РС13	Угол равен 107,3^0. sp^3 гибридизация АО (N). Одна вершина тетраэдра не занята	Тригональная пирамида, молекула полярная
Трехатомная молекула Н2О	Угол равен 104,5^0. sp^3 гибридизация АО (О). Две вершины тетраэдра не заняты	Угловая, плоская. Молекула полярная

 От геометрии молекул зависят физические и химические свойства веществ.