Напрямленість ковалентного зв’язку

За квантовою механікою, найміцнішими будуть зв’язки, що виникають в напрямках максимального перекривання хмари валентних електронів. Звідси зрозуміла певна просторова напрямленість ковалентного зв’язку, яку можна встановити різними фізичними методами.

Розділ хімії, що вивчає просторову будову молекул різних речовин та залежність властивостей сполук від будови їхніх молекул, називається стереохімією.

Атоми сполучаються між собою одинарними, подвійними та потрійними зв’язками. Одинарні зв’язки здебільшого утворюються за участю s- або p_x-електронів.

Зв’язок між двома атомами, напрямлений вздовж прямої, що сполучає їх ядра, який співпадає з віссю симетрії електронних хмар, називається сигма-зв’язком (-зв’язком).

Так, наприклад, у молекулі водню електронні хмари атомів водню перекриваються по прямій, що сполучає їх ядра; -зв’язок виникає між атомами фтору у молекулі F₂, а також між атомами фтору і водню у молекулі F₂, а

також між атомами фтору і водню у молекулі HF

ковалентний -зв’язоквиникає внаслідок перекривання 1s-електронної хмари атома водню і 2p-електронної хмари атома водню і 2р-електронної хмари атома фтору.

При утворенні кратних (подвійних, потрійних) зв’язків, як правило, тільки один з них може бути -зв’язком. Інші зв’язки, утворені за участю р-електронів, називається пі-зв’язками ( -зв’язками).

Отже, зв’язок, що виникає внаслідок взаємодії р-електронних хмар, орієнтованих перепендикулярно до осі зв’язку, називається -зв’язком.Під час утворення -зв’язкур-орбіталі перекриваються, як це зображено на малюнку.

Увипадку -зв’язкув молекулі через обидва

сполучених атоми можна провести площину, в якій

імовірність знаходження електрона дорівнює нулю

Наприклад, утворення молекули азоту. Кожен атом

азоту має по три неспарені 2р-електрони орієн-

N

товані у трьох взаємно перпендикулярних напрямках. під час утворення молекули азоту за участю р-електронів з різнонапрямленими спінами виникають три ковалентних зв’язки: один внаслідок перекривання електронних хмар по р_x-орбіталях, він знаходиться на осі абсцис (-зв’язок),а два інших - по двох інших осях (-зв’язки). Кути між зв’язками називаються валентними кутами.

Гібридизація атомних електронних орбіталей

Часто атом утворює зв’язки за рахунок електронів, що перебувають на різних енергетичних рівнях. Наприклад, атом берилію в незбудженому стані не містить неспарених електронів (1s²2s²), тому щоб набути здатності до утворення хімічних зв’язків атом берилію повинен перейти у збуджений стан (1s²2s¹2p¹). У збудженому стані атом берилію має два неспарених електрони, розташованих на 2s i 2p-орбіталях. При цьому відбувається так звана гібридизація: вихідні форми електронних хмар (орбіталей) взаємно змінюються і утворюються хмари (орбіталі) нових інших форм.

На малюнку схематично зображено гібридизовану sp-орбіталь, яка виникла внаслідок комбінації хмар s i p-електронів. Гібридизована sp-хмара більш витягнута по один бік від ядра, тому хімічний зв’язок, утворений за рахунок гібридизованої хмари, повинен бути міцнішим, ніж зв’язок, що виник внаслідок перекривання окремих хмар s- i p-електронів.

Розглянутий випадок гібридизації однієї s- і однієї р-орбіталі, що приводить до утворення двох sp- орбіталей, називається sp-гібридизацією. sp-орбіталі орієнтовані у протилежних напрямках. Звідси хімічні зв’язки, утворені за їх участю, також розташовуються під кутом 180⁰, що зумовлює лінійну будову таких молекул, як ВеСІ₂, BeF₂ тощо.

Внаслідок комбінації хмар одного s- і двох р-електронів утворюються три гібридизовані хмари, розташовані одна відносно одної під кутом 120⁰. Під таким самим кутом розташовуються зв’язки, що виникли за їх участю. Внаслідок sp²-гібридизації молекула BСl₃ має форму правильного плоского трикутника, в центрі якого розміщені атом бору, а у вершинах - атоми хлору.

Якщо в гибридизації беруть участь одна s- і три р-орбіталі (sp³-гібридизація), то утворюються чотири гібридизовані sp³-орбіталі, які орієнтовані в просторі симетрично відносно чотирьох вершин тетраедра, тобто під кутом 109⁰28’.

Тетраедричне розташування зв’язків характерне для багатьох сполук, в яких вуглець проявляє валентність, що дорівнює чотирьом, наприклад СН₄. Внаслідок sp³-гібридизації орбіталей атома азоту аналогічну структуру має також іон NH.