Ковалентная связь обладает свойствами насыщаемости, направленности и поляризуемости. Разберем эти свойства

Длина химической связи - это расстояние между центрами атомов, образующих химическую связь между собой, т.е. расстояние между ядрами двух атомов. Длина связи зависит от природы атомов, образующих между собой связь и от кратности связи между атомами. Как правило, с увеличением энергии связи длина связи уменьшается (в однотипных соединениях), с увеличением кратности связи длина связи уменьшается.

Н – Н (0,74×10^-10 м); º С – С º (1,54×10^-10 м);

= С = С = (1,34×10^-10м); – С º С – (1,20×10^-10м).

σ - и π- связи.

Химическая связь образуется при перекрывании электронных облаков атомов, причем это перекрывание может происходить разными способами.

Если перекрывание электронных облаков (атомных орбиталей) происходит по общей линии, соединяющей центры двух атомов, то образуется σ - связь, например (рис. 11).

Рисунок 11. Образование σ - связи.

Если перекрывание атомных орбиталей (электронных облаков) происходит по обе стороны от линии, соединяющей центры атомов (т.е. вверху и внизу от этой линии), то образуется p- связь (рис. 12).

Рисунок 12. Образование p- связи.

Для образования химической связи (σ- или p - связи) необходимо, чтобы волновые функции ψ в месте перекрывания имели одинаковый знак (или обе с плюсом, или обе с минусом).

Отметим, что s-электронные облака образуют только σ- связи, а р- и d- электронные облака могут при перекрывании образовывать как σ-, так и p-связи.

Кратность или порядок связи - это есть число связей между двумя атомами в молекуле. Кратность связи может выражаться целыми и дробными числами: 1, 2, 1и т.д. Молекул, в которых кратность связи больше единицы, много. Например, в молекуле N₂ содержится тройная связь, т.е. кратность связи равна трем, причем одна связь σ -типа и две другие связи π - типа: N ≡ N. С увеличением кратности связи, как правило, энергия связи увеличивается, а длина связи уменьшается.

2. Основные положения метода валентных связей.

Для объяснения образования химической связи применяются 2 метода:

1) метод валентных связей (ВС);

2) метод молекулярных орбиталей (МО).

Метод ВС исходит из положения, что каждая пара атомов (два атома) в молекуле образуют между собой связь при помощи общих электронных пар.

1) Ковалентная связь образуется при помощи общих электронных пар, образованных из атомов, имеющих неспаренные электроны с противоположно направленными спинами.

2)Ковалентная связь тем прочнее, чем больше степень перекрывания электронных облаков.

3) Ковалентная связь образуется в направлении максимального перекрывания электронных облаков (тогда образуется самая прочная связь).

Таким образом, химическая связь образуется по методу ВС за счет общей пары электронов и эта связь локализована (расположена) между двумя атомами, т.е. она двухэлектронная и двухцентровая. Поэтому метод ВС еще называется методом локализованных электронных пар (ЛЭП).

Насыщаемость ковалентной связи – это есть число ковалентных связей, которые способен образовать данный атом с другими атомами. Она определяется природой атома и его валентной структурой. Благодаря насыщаемости связи молекулы имеют определенный состав (Н₂О, НСl, H₃N, H₂S и др.).

Разберем это свойство для некоторых атомов.

1) Возьмем атом водорода Н, у которого на 1S-орбитали находится один неспаренный валентный электрон (↑), за счет которого атом Н может образовать одну ковалентную связь, т.е. ковалентность будет равна 1

(Н –Н, Н – Сl).

2) Возьмем атом углерода. Его электронная формула 1s²2s²2p², а электронно-структурная схема валентного уровня будет:

│ ↑ │ ↑ │ │

│↑↓│ 2р

2s

т.е. имеет 2 неспаренных электрона, за счет которых может образовать 2 ковалентные связи. Но для углерода (С) характерно образование четырех ковалентных связей. Поэтому атом «С» переходит в возбужденное состояние, т.е. один из двух 2s-электронов переходит на свободную орбиталь 2р-подуровня и тогда станет 4 неспаренных электрона, за счет которых атом С может образовать 4 ковалентные связи, т.е. ковалентность будет равна 4 (СН₄, СО₂ и др.).

│ ↑ │ ↑ │ │ возбуждение │ ↑ │ ↑ │ ↑ │

│↑↓│ │ ↑ │ 2р

2s 2s

Таким образом, максимальная ковалентность атома углерода равна числу валентных орбителей и равна 4.

3) Возьмем атом азота, у которого на 4 валентных орбиталях находятся 5 валентных электрона, три из которых неспаренные:

│ ↑ │ ↑ │ ↑ │

│↑↓│ 2р

2s

За счет трех неспаренных электронов атом N образует 3 ковалентные связи с тремя атомами водорода, у которых по одному неспаренному электрону, при этом образуется молекула NH₃:

N │ ↑ │ ↑ │ ↑ │

│↑↓│ ò ò ò NH₃

│ ↓ │ ↓ │ ↓ │

Н Н Н

Кроме того, у атома N осталась еще неподеленная электронная пара, поэтому за счет этой пары электронов азот может образовать с ионом Н⁺ еще одну (четвертую) ковалентную связь. При этом на образование этой связи атом азота отдаст два электрона (электронную пару), а ион водорода (□^Н+) примет эту пару электронов на свою свободную валентную орбиталь. Такая ковалентная связь называется донорно-акцепторной связью, причем азот будет называться донором электронной пары, а ион Н⁺ называется акцептором электронной пары.

Таким образом, атом N в итоге образовал 4 ковалентные связи: три из них за счет 3 неспаренных электронов и одну связь - по донорно-акцепторному механизму.

│ ↑ │ ↑ │ ↑ │ В итоге получили ион аммония

│↑↓│ NH⁺₄, в котором ковалентность

NH⁺₄ ↓ азота равна 4.

│ ││ ↓ │ ↓ │ ↓ │

Н⁺ Н Н Н

Таким образом, максимальная ковалентность атома азота равна числу его валентных орбиталей и равна 4.

Ковалентная связь обладает свойством направленности. Орбитали р- и d-типа направлены по координатным осям. В соответствии с направленностью атомных орбиталей происходит и их перекрывание при образовании ковалентной связи, поэтому и ковалентная связь обладает свойством направленности.

Пример 1. Н – Сl При образовании молекулы НСl образуется ковалентнаясвязь при перекрывании s-электронного облака атома Н и р - электронного облака атома хлора, образуется линейная молекула:

Пример 2. Рассмотрим молекулу Н₂S. У атома серы два неспаренных р-электрона. В молекуле Н₂S образуется две σ- связи за счет перекрывания р-орбиталей атома серы, на которых расположены неспаренные электроны, с s – электронными облаками двух атомов Н. Так как р-орбитали атома серы расположены под углом 90^о относительно друг друга, то и валентный угол (это угол между двумя ковалентными связями) тоже должен быть равен 90^о. Однако он равен 92^о. Это можно объяснить отталкиванием одноименных зарядов δ+ двух атомов Н (т.к. связь S-Н полярна), поэтому валентный угол увеличивается с 90^о до 92^о. Направленность ковалентной связи зависит также от типа гибридизации валентных орбиталей атома (см. ниже).

3. Гибридизация атомных орбиталей.

Дата добавления: 2014-01-07