Химическая связь. Энергетический подход к описанию химической связи

Лекция 12

Химическая связь

Проблема химической связи – это центральная проблема химии, т.к. любой химический процесс включает в себя разрыв старых и образование новых связей между атомами.

П Л А Н 12.1 Химическая связь и ее типы. 12.2 Ковалентная связь. 12.3 Водородная связь.

12.1 Химическая связь – результат взаимодействия двух или более атомов, приводящий к образованию устойчивой многоатомной системы.

Частным случаем таких систем является молекула. Молекула – это устойчи-вая электронейтральная система, состоящая из вза-имодействующих электро-нов и ядер.

Природа сил, действую-щих в многоатомных сис-темах, электрическая: притяжение разноименно заряженных частиц. Носи-телями зарядов в ве-ществе являются ядра и электроны.

По характеру рас-пределения заря-женных частиц в веществе различа-ют несколько типов химической связи.

Силы межмолекулярного взаимодействия

Энергия связи (Е, кДж/моль) – это энергия, необходимая для разрыва химической связи в одном моль вещества, находящегося в газообразном состоянии.

Чем больше энер-гия связи, тем прочнее химичес-кая связь.

Энергетический подход к описанию химической связи

Образование химической связи энергетически выгодно, так как энергия связанной системы меньше, чем суммарная энергия изолиро-ванных атомов: А + В → АВ Е(A) + Е(B) > Е(AB)

Кривая потенциальной энергии молекулы Н2

Область отталкивания

Энергия, кДж/моль

R

Область притяжения

0,074 нм

0,074 нм – это длина связи в молекуле H2. Длина связи – это расстояние между атомами в молекуле.

Ковалентная связь (КС) – самый распространен-ный тип химической связи. В органических соединениях практичес-ки все связи являются ковалентными.

Существует два кван-тово-механических подхода к описанию КС: метод валентных связей (ВС) и метод молекулрных орбита-лей (МО).

Оба метода разра-ботаны в 30-е годы 20-го века и имеют свои достоинства и недостатки.

12.2.1 Основные положения метода ВС.

1. В образовании КС участвуют только валент-ные электроны. Валент-ными называются элект-роны, наиболее удален-ные от ядра.

Валентность атома можно предсказать по числу неспаренных электронов в его стационарном и воз-бужденных состояниях.

Валентные возможности атома серы

Стационарное состояние атома

3 d

3p

B = II

3s

Валентные возможности атома серы

Возбужденное состояние атома-1

3 d

3p

B = IV

3s

Валентные возможности атома серы

Возбужденное состояние атома-2

3 d

3p

B = VI

3s

Общая валент-ность равна числу орбиталей атома, участвующих в об-разовании связей.

2. Единичную КС образуют 2 электрона с антипараллельными спинами, принадлежа-щими двум атомам (общая электронная пара).

Ковалентная связь – это химическая связь, образованная при помощи общих электронных пар, при-надлежащих двум или более атомам.

Механизм образования КС

Донорно-акцептор-ный

Обмен-ный

Обменный механизм – обобществление неспа-ренных электронов вза-имодействующих атомов

H

H H

H

Донорно-акцептор-ный механизм – атом-донор отдает неподелен-ную электронную пару на вакантную орбиталь атома-акцептора

● ●

NH3 +

H+

+

H

N

H

H

H

● ●

H2O +

H+

+

O

H

H

H

Кратность связи (n) равна числу общих электронных пар: Н – Н n = 1 O = O n = 2 N ≡ N n = 3

Увеличе-ние прочнос-ти связи

3. С точки зрения волновых представле-ний, образованию общей электронной пары со-ответствует перекрыва-ние АО взаимодействую-щих атомов.

При этом, в межъ-ядерном пространстве возникает область повышенной элект-ронной плотности.

Способы перекрывания АО

Осевое

Боковое

Ось молекулы –это условная линия, соединя-ющая ядра ато-мов в молекуле

Способы осевого перекрывания АО

Способы осевого перекрывания АО

s - рх

Способы осевого перекрывания АО

s - s

При осевом пере-крывании орбиталей образуется разно-видность ковалент-ной связи, называ-емая σ- связью.

Способы бокового перекрывания АО

При боковом пере-крывании орбиталей образуется разно-видность ковалент-ной связи, называ-емая π- связью.

Чем сильнее пере-крываются орбита-ли, тем прочнее КС. Вот почему σ-связи прочнее π-связей.

4. Если в молекуле три и более атомов, то орбитали ее центрального атома, как правило, гибри-дизованы.

Центральным является атом с наибольшей валентностью.

Гибридизация – вы-равнивание атом-ных орбиталей по форме и энергии в процессе образова-ния КС.

Гибридная AO

Гибридизация- энергетически выгод-ный процесс, обес-печивающий макси-мальное перекрыва-ние АО.

Тип гибридиза-ции определяет конфигурацию молекулы.

Конфигурация – пространствен-ное строение мо-лекулы.

3

5

4

5.Ковалентная связь

Неполяр-ная

Полярная

Неполярные КС связывают атомы одного химическо-го элемента: