les4 (Лекции по Химии 1 курс 1 семестр Ланская И.И. (2017))

Лекция 4ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬПлан лекции1. Природа химической связи.2. Ковалентная, ионная и металлическая связь.3. Характеристики и свойства ковалентной связи.4. Полярность связи и полярность молекулы.Химическая связь:– это такое взаимодействие между частицами, при которомобразуются новые устойчивые структуры: молекулы, ионы,радикалы, комплексы и другие системы.Условия образования химической связи:1. Снижение общей энергиимногоатомной системы по сравнению ссуммарной энергией исходных частиц, из которых эта система образована.2.

Перераспределение электронной плотности в области химической связи.Природа сил химической связи – электрическая.Квантовая механика позволяет объяснить и описать образование всехтипов химических связей.Основные типы химической связи(распределение электронной плотности между ядрами)ковалентнаяионнаяметаллическаяПараметры химической связи1.Энергия связи Есв, кДж/моль:Количество энергии, выделяющееся при образованиихимической связи в расчете на 1 моль вещества.Чем больше энергия химической связи, тем онаЧембольше энергия химической связи, тем устойчивее молекулыпрочнее.2.

Длина связи lсв ,нм:Количество энергии, выделяющееся при образованииМежъядерное расстояние взаимодействующих атомовхимической связи и характеризующее ее прочностьlсв зависит от размеров электронных оболочек и степени их перекрывания.3. Кратность связи:Кол-во связей между взаимодействующими атомамимолек связьулаF2F-FH2H–HО2N2ООNNЕсв, кДж lсв,вывод/мольнм159,00,142 Чемменьше lсв, тем436,00,074 больше Есв и устойчивеемолекула498,70,120 Чемвышекратность945,60,109 связи, тем больше Есв иустойчивее молекула4. Угол связи, или валентный угол:Угол между воображаемыми прямыми,проходящими через ядра связанных атомовНапример: молекула Н2О:lсв (Н-О) = 0,096 нм;угол связи Н-О-Н = 104,50,Есв(н-о) = 464 кДж/моль.КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ- это химическая связь, образованная в результатеобобществления валентных электронов вобласти связывания (между ядрами атомов)«Ковалентная» - совместно действующаяСуществует два квантово-механических подхода к описанию ковалентнойсвязи: метод валентных связей (ВС) и метод молекулярных орбиталей(МО).Метод валентных связей.(1927 г.

нем.уч. У. Гейтлер и Ф.Лондон)Квантово-механический расчет взаимодействия двух атомов водорода:Н + Н = Н2Из уравнения Шредингера следует, что энергия системы является функциейрасстояния (r) между ядрами атомов водорода Есист= f (r ).1) При сближении двух атомов с антипараллельными спинами действуют силы:Рис.1.

Зависимость энергии системы из 2-х атомов водорода сантипараллельными (1) и параллельными (2) спинамипритяжения Fпритяжения между электронами с антипараллельнымиспинами и двумя протонами отталкивания Fотталкивания электронов друг от друга и двух протоновдруг от другаКогда Fпритяжения  Fотталкивания  Есист - уменьшается (кривая 1).При некотором расстоянии между ядрами r = lсв  Есист= Еmin и системаприобретает наиболее устойчивое состояние, т.е.

образуется химическая связь Н2.2) При сближении атомов, спины электронов которых параллельны Fпритяжения  Fотталкивания  Есист все время возрастает (кр.2) и образование связине происходит.Основные положения метода ВСа) связь образуется за счет перекрывания АО с образованием связывающихэлектронных пар, локализованных в пространстве между ядрами(обобществление двух электронов);б) химическая связь образуется привзаимодействии электронов сантипараллельными спинами (по принципу Паули);в) связь образуется в направлении максимального перекрывания АОреагирующих атомов.г) характеристики химической связи (энергия, длина, полярность и др.)определяются типом перекрывания АО;Механизмы образования ковалентной связиобменныйдонорно-акцепторныйдативныйОбменный механизм каждый из двух взаимодействующих атомовпредоставляет для образования пары по одному неспаренному электрону.Донорно-акцепторный механизм - образование общей электронной пары засчет неподеленной пары электронов одного атома (донора) и вакантнойорбитали другого атома (акцептора).Пример: образование иона аммония NН4+ (NН3 + Н+  NН4+)Дативный механизм – связи образуются за счет того, что у одного и тогоже атома одни орбитали могут выступать в роли донора, а другие в ролиакцептора неподеленных пар электронов.Пример: образование молекулы Cl2Есв(Сl2) = 243 кДж/моль;lсв(Сl2) = 0,Есв(F2) = 159 кДж/мольlсв(F2) = 0,142 нмСвойства ковалентной связи1.Насыщаемость ковалентной связи - запрещается (по принципу Паули)использование одной и той же орбитали дважды для образования связи.Образование общей пары электронов насыщает одну и другую орбитали.2 .

Направленность ковалентной связи означает, что АО пространственноориентированы около ядра атома.Перекрывание АОпроисходит поопределенным направлениям, откуда вытекает пространственная структурамолекул.Количественнонаправленностьхарактеризуетсязначениемвалентных углов.Валентный угол - это угол между воображаемыми прямыми, проходящимичерез ядра химически связанных атомов3 . П о л я р н о с т ь с в я з и о з н а ч а е т , ч т о общая связывающая параэлектронов смещается в сторону атома с большей ЭО, образуется дипольныймомент связи.ВАЛЕНТНОСТЬСпособность атома присоединять или замещать определенноечисло других атомов с образованием химических связейВалентность по обменному механизму равначислу внешних неспаренныхэлектронов в атоме.

Различают валентность в основном (В) и возбужденном(В*) состоянии атома.Возбужденное состояние реализуется при распаривании пары электронов ипереходе одного из них (или нескольких электронов, равных числуразъединенных пар) на свободную орбиталь другого подуровня того жеэнергетического уровня.ПРИМЕРЫ.Валентность Мg - в основном состоянии В = 0,в возбужденном состоянии В*= 2(!) Кислород и фтор – возбужденного состояния не имеютХлор Cl (аналог фтора) – в основном состоянии имеет валентность 1, ввозбужденном - 3, 5, 7 вследствие наличия свободных d-орбиталей на третьемэнергетическом уровне:3s3p3s3p3dB=1B=3B=5B=7Валентность кобальта Cо в основном состоянии:Валентность Cо в возбужденном состоянии:ВЫВОД:Для большинства d-элементов валентность в основном состоянии равна 0, т.к.на внешнем уровне нет неспаренных электронов.При переходе в возбужденное состояние s-электроны распариваются,валентность возрастает.

При этом кроме внешних валентными становятсянеспаренные d-электроны предвнешнего подуровня.Типы химической связи-связь – связь, образуемая по линии, соединяющие центры атомов;-связь – связь, при которой перекрывание облаков происходит над и подвоображаемой линией, соединяющей центры атомов;δ-связь – связь, образуемая при наложении друг на друга и перекрывании dоблаков в 4-х областях.Между двумя атомами возможна только одна σ-связь. Все σ-связи обладаютосевой симметрией относительно межъядерной оси.Совокупность направленных, строго ориентированных в пространстве σ-связейсоздает структуру химической частицы.Перекрывание АО при образовании -связей меньше → Еπсв < ЕσсвПерекрывание АО разных типов при образовании -связейОбразование тройной связи в молекуле азота N2: одна сигма- и две пи-связи.Кратность связи равна трем.Направления перекрывания атомных орбиталейпри образовании -связейЕсли связывающая электронная пара равномерно распределена между ядрамивзаимодействующих атомов, то связь неполярная ковалентная.Такая связь образована атомами с одинаковым значением ЭО (ЭО = 0): N2, Н2,О2 и т.дП о л я р н а я с в я з ь - с вязь, образованная атомами с различным значениемЭО; п р и э т о м связывающая электронная пара смещена к атому с большимзначением ЭО.ПРИМЕРМолекула НI1s-АО атома H перекрываются снеспаренному электрону:5p-АО атома иода, имеющими по одномуH 1s1I 5s25p5HIВ молекуле НI : механизм образования связи – обменный; тип связи - -связь; кратность связи – 1; структура молекулы – линейная; связь – полярная, так как образована атомами с разной ЭО:ЭО(I) = 2,5, ЭО(H) = 2,1  связывающая электронная пара смещена всторону I, возникает эффективный отрицательный заряд (δ-) у атома I,эффективный положительный заряд (δ+) у атома НД л и н а диполя (lД) равна расстоянию между центрами тяжести эффективныхзарядов (δ-и δ+).Количественной мерой полярности связи служитэ л е к т р и ч е с к и й м о м е н т д и п о л я с в я з и св, равный произведениюэффективного заряда δq на длину диполя lд связи:св = δqlд.

(Клм) св - векторная величина, направленная от положительного полюса котрицательному.молекулаН – СlН – BrH IЭО0,900,740,40Дипольные моменты св некоторых связейсв10-30,Клм1,030,780,38ВыводЧем больше ЭО, тем больше сви, следовательно, связь болееполярная.