Основные характеристики ковалентной связи

Основных характеристик 5: длина связи, энергия связи, ее пространственная направленность, поляризация и поляризуемость.

Длина связи – расстояние между ядрами атомов, ее образовавшими.

Энергия связи – энергия, необходимая для гомолитического разрыва связи на радикалы или на атомы. Здесь необходимо остановиться на понятиях гомолитического и гетеролитического разрыва связи:

Под радикалом в органической химии понимают как часть молекулы (углеводородный остаток), с одной стороны, и как реально существующую частицу с одним неспаренным электроном (А^× и В^×), с другой.

Примеры связей и их характеристики сведены в табл. 2.2.

Табл. 2.2. Некоторые характеристики связей

Молекула	Связь	Длина, нм	Энергия Е, кДж/моль	Степень Гибридизации	% s-орбитали
СН3-СН3	s	0,154		sp^3
Н2С=СН2	1s + 1p	0,134	592 (331 + 261)	sp^2	33,3
НСºСН	1s + 2p	0,120	813 (592 + 221)	sp
СН3-Н	s	0,111		sp^3

Длина связи зависит от многих факторов, но главным образом от типа гибридизации или кратности связи. С увеличением доли s-АО в гибридной орбитали (с увеличением ненасыщенности) длина связи уменьшается, ибо s-орбиталь лежит ближе к ядру (имеет меньший радиус), чем р-орбиталь.

Энергия двойной связи не равна удвоенному значению одинарной s-связи. Энергия p-связи в этилене (за вычетом энергии s-связи) составляет 261 кДж/моль, т.е. на 70 кДж/моль меньше, чем s-связи (на 20%). Это свидетельствует, что боковое перекрывание АО при образовании p-связи менее эффективно, чем осевое при образовании s-связи.

То обстоятельство, что p-связь слабее s-связи, заставляет сделать вывод, что для ненасыщенных соединений должны быть характерны, т.е. идти в первую очередь, реакции присоединения по кратным связям, ибо на их разрыв идет меньше энергии и они, кроме того, более доступны с пространственной точки зрения.

Энергия связи зависит также от природы элемента, атомы которого образуют связь. Так, связи С-Hal составляют следующий ряд прочности:

C-F > C-Cl > C-Br > C-І.

Прочность связи в этом ряду уменьшается с увеличением порядкового номера элемента, ибо при этом растет радиус атома и длина связи (с увеличением расстояния электростатическое взаимодействие уменьшается).

В соединениях углерода с элементами ІІ периода прочность (энергия) связи возрастает в ряду: С-N < C-O < C-F, т.е. с увеличением электроотрицательности элемента, радиус которого при этом уменьшается (элктростатическое взаимодействие усиливается).

Пространственная направленность связей уже рассмотрена на примере метана, этана, этилена и ацетилена.

Полярность связи и ее поляризуемость. С полярной связью мы уже встречались, рассматривая ковалентный характер связи. При образовании ковалентной связи между двумя одинаковыми атомами ее электронное облако симметрично расположено между ядрами связываемых атомов, связь неполярна, и молекула неполярна (этан, этилен, ацетилен).

Если ковалентную связь образуют различные атомы с различной электроотрицательностью, то возникает полярная ковалентная связь, поскольку электроны связи сдвинуты к электроотрицательному атому, а на атомах возникают эффективные частичные заряды, например, в Н₃С^d+ F^d-. Эта полярность постоянна (стационарна), ибо обусловлена внутренними факторами, а именно – природой взаимодействующих атомов и характером связи между ними.

Различную электроотрицательность имеют атомы одного и того же элемента, если эти атомы находятся в различном состоянии гибридизации. Так, для углерода:

Степень гибридизации sp³ sp² sp

Электроотрицательность 2,5 2,75 3,2.

Таким образом, электроотрицательность атома возрастает с увеличением доли s-орбитали в гибридной орбитали.

Появление полярной связи в молекуле обуславливает возникновение полярности всей молекулы, а это влияет на свойства вещества. Так, полярные вещества, в отличие от неполярных, лучше растворяются в полярных растворителях, обычно имеют более высокие температуры кипения и плавления, легче реагируют по ионным механизмам.

Помимо стационарной различают еще и динамическую поляризацию. Динамическую поляризацию называют поляризуемостью. Это способность смещать электроны под воздействием внешних факторов: внешнего электрического поля и электрических полей, создаваемых реагентами, растворителем и катализаторами. Поляризуемости легче всего подвергаются подвижные электроны, т.е. электроны p-связей и элементов с большим атомным радиусом. Полярность связи и ее поляризуемость связаны между собой определенным образом: чем полярнее связь, тем меньше она способна к поляризуемости.

Поляризуемость p-связей больше чем s-связей, влияние ее на протекание химических реакций больше, чем полярности. В целом, на реакционную способность соединений большее влияние оказывает динамическая поляризация, а не статическая.

Дата добавления: 2014-01-11