Химия – наука о веществах и способах их превращения. Строение атома, химическая связь и структура молекул, страница 4

Состоянию для любого атома с Е_min соответствует “завершенная снаружи“  электронная оболочка (для атомов 1^го периода –Н и Не – это два электрона, для всех остальных элементов восемь электронов, - правило октета). Способов достиженияЕ_min у атомов несколько.

Схема образования ионной связи

          Используются два способа достижения атомами состояния с Е_min:

          (а) приём электронов, недостающих до завершения наружного слоя электронной оболочки;

          (б) отдача наружных электронов для “обнажения “ ранее завершенного предвнешнего слоя электронной оболочки.

          Оба способа достижения атомами Е_min  реализуются одновременно при возникновении ионной связи:

В результате передачи электрона от атома Na атому Cl оба атома приобрели Е_min

(8 электронов “снаружи” у каждого). Теперь атомы стали противоположно заряженными ионами,  которые притягиваются друг к другу электростатически, - ионная связь.

 Ковалентная связь

          Третий способ достижения атомами Е_min  - обобществление электронов соединяющихся атомов с одновременной достройкой электронных оболочек соединяющихся атомов.

Между соединяющимися атомами возникают общие электронные пары, находящиеся в совместном пользовании обоих атомов. В итоге сразу несколько атомов достигли Е_min (здесь 2 электрона у атома Н и 8 электронов у атома С).

          Общие (связывающие) электронные пары – ковалентная связь, - главный вид связи в органической химии.

          Связи между органогенными элементами могут быть как простые (одинарные), так и кратные (двойные или тройные, осуществляемые, соответственно, двумя или тремя общими электронными парами).

          Такое, хотя и очень упрощенное, представление о ковалентной связи с позиций ПМ удобно использовать для обсуждения (объяснения) способов разрыва и образования связей, механизмов и типов органических реакций.

          Для объяснения структуры молекул а, следовательно, и их химических свойств ПМ недостаточна. Структура молекул может быть объяснена только с позиций квантово-механической модели строения атома.

          С позиций КММ химическая связь – это перекрывание орбиталей соединяющихся атомов с образованием между их ядрами областей повышенной электронной плотности.

          Способов перекрывания орбиталей - два:

1)  “лобовое “ перекрывание (s - связь);

2)  “боковое “ перекрывание  (p - связь).

s - связь (сигма – связь)

          В образовании s - связи могут участвовать атомные орбитали всех типов – и простые (s-  и  p-), и гибридные (sp, sp²  и sp³ ). Область повышенной электронной плотности (область перекрывания) лежит на линии связи (воображаемой линии, соединяющей центры атомов) – рис.8.

       Схемы образования  s - связи перекрыванием орбиталей различного типа

p - связь (пи –связь)

В образовании p - связи могут участвовать  только симметричные негибридные р - орбитали* соединяющихся атомов, ориентированные вдоль параллельных осей пространства.

При этом способе перекрывания орбиталей область повышенной электронной плотности (область перекрывания) не лежит на линии связи.

Важно при этом подчеркнуть, что  p - связь – это не двойная связь, это такой способ перекрывания орбиталей. p - связь  - одинарная, образованная одной общей электронной парой (как и s) ковалентная связь. Но p - электроны находятся на периферии молекулы и в первую очередь подвергаются “атаке“ реагента. Кроме того p - связь менее прочна, чем s - связь, а потому соединения с p - связью обладают повышенной  реакционной способностью.

* В образовании p - связей могут также участвовать и d – орбитали (здесь не рассматриваются).

Кратные связи

С позиций КММ кратная связь -  это одновременное наличие s - и  p -  связей  между двумя атомами .

          Если между атомами есть  химическая связь, -  s -связь есть всегда. Двойная связь  - это  одна s - и  одна p - связи  (см. рис.11).  Тройная связь - это  одна s - и  две p - связи  (см. рис.12). При изображении  структурных формул s - и  p - связи показывают одинаковыми валентными штрихами. Важно при этом помнить о различной природе s - и  p - связей.

Структура и модели молекул

а) порядок связи атомов в молекуле (“кто с кем“ связан);

б) характер взаимного расположения атомов в пространстве друг относительно друга;

в) типы связей между атомами.

Структурообразующей является s - связь, поскольку она направленная.        

          Направленность s - связи выражается  в том, что несколько атомов, связанных с одним и тем же (центральным) атомом молекулы, располагаются  в пространстве строго по направлениям ориентации гибридных орбиталей центрального атома.

 

                     (a)                                                                   (б)

                                                 H

H

Структура (а) и модель (б) молекулы метана СН₄ .

Углерод в первом валентном состоянии (sp³).  (Н – С) – связи - s(sp³– s). Атомы Н располагаются по направлениям ориентации гибридных sp³ – орбиталей атома С. Молекула объёмная.

               Структура (а) и модель (б) молекулы этилена С₂Н₄.

Углерод во втором валентном состоянии (sp²). Атомы Н располагаются по направлениям ориентации гибридных sp² – орбиталей углерода. Все шесть атомов молекулы С₂Н₄ лежат в одной плоскости (ХУ). Молекула этилена – плоская. Между атомами углерода – две связи: 1) s (sp² – sp² ) и 2) p  (р_z - р_z). Между атомами углерода и водорода 4 s (sp² – s) связи.

            Структура (а) и модель (б) молекулы ацетилена С₂Н₂.

Углерод в третьем валентном состоянии (sp).Атомы Н располагаются по направлениям ориентации гибридных sp – орбиталей углерода; все четыре атома молекулы лежат на одной линии, - молекула ацетилена линейна. Между атомами углерода три связи: 1) s (sp – sp) , 2) p  (р_z - р_z)  и 3) p  (р_y - р_y). Между атомами углерода и водорода 2 s (sp – s) связи.

УГЛЕВОДОРОДЫ