Химическая связь и строение молекул

Атомы в любой молекуле, ионе, радикале, кристалле связаны определенными силами, которые называются химической связью. Главную роль в образовании связей играют электроны. По характеру распределения электронной плотности химические связи подразделяют на ковалентные, ионные и металлические.

Ковалентная связь – химическая связь между неметаллами, осуществляемая общей для этих атомов парой электронов. Ковалентные связи бывают полярные (HCl, H₂O, NH₃) и неполярные (H₂, O₂, N₂, Cl₂).

Ионная связь – результат электростатического взаимодействия противоположно заряженных ионов. Данная связь образуется между металлами и неметаллами (Na⁺Cl^-, Cs⁺F^-, ).

Металлическая связь – связь между положительными ионами металлов и свободными электронами в кристаллической решетке металлов.

Существует особый вид межмолекулярной связи – водородная связь – связь между атомом водорода одной молекулы и атомом с большой электроотрицательностью (F, O, N, Cl) другой молекулы.

Для описания ковалентной связи и строения молекул могут быть применены два подхода: метод валентных связей (ВС) и метод молекулярных орбиталей (МО).

В основе метода валентных связей лежат следующие положения:

1. Ковалентная химическая связь образуется двумя электронами, которые имеют противоположно направленные спины и принадлежат двум атомам. Общая электронная пара может образоваться как в результате спаривания двух неспаренных электронов, принадлежащих разным атомам (обменный или спин-валентный механизм), так и за счет пары электронов одного атома – донора – и вакантной орбитали второго атома – акцептора (донорно-акцепторный механизм).

2. Ковалентная связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака, поэтому ковалентная связь образуется в направлении, при котором это перекрывание максимально.

В методе ВС используется представление о гибридизации орбиталей центрального атома. Образованию химических связей может предшествовать изменение валентных орбиталей: исходные неравноценные атомные орбитали, как бы «перемешиваясь», образуют энергетически равноценные гибридные орбитали. В результате гибридизации электронное облако вытягивается по направлению к взаимодействующему атому, благодаря чему увеличивается его перекрывание с электронным облаком последнего. Это приводит к образованию более прочной связи и, следовательно, к выделению дополнительной энергии, которая и компенсирует затраты энергии на гибридизацию.

Число гибридных орбиталей соответствует числу участвующих в гибридизации исходных атомных орбиталей. Если в гибридизации участвует одна s - и одна p -орбиталь, то возникают две равноценные sp -орбитали, расположенные под углом 180^о. Такой вид гибридизации называется sp-гибридизацией, при этом образуются молекулы линейные по форме, например, это характерно для молекулы BeCl₂.

При гибридизации одной s - и двух p -орбиталей возникают три равноценные sp ²-орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120^о, т. е. направлены к вершинам правильного треугольника. Такой вид гибридизации называется sp ² -гибридизацией, она характерна, например, для молекулы BF₃.

При гибридизации одной s - и трех p -орбиталей соответственно возникают четыре sp ³-орбитали, направленные к вершинам тетраэдра под углом 109^о28¢. Это sp ³ -гибридизация, она реализуется, например, при образовании молекулы CH₄.

В образовании гибридных орбиталей могут принимать участие и d -орбитали, тогда образуются молекулы с более сложной пространственной структурой. Например, для молекулы SF₆ характерна sp ³ d ² -гибридизация, шесть гибридных орбиталей атома серы направлены к вершинам правильного октаэдра.

При установлении типа гибридизации молекулы или иона следует учитывать, что гибридизации подвергаются валентные орбитали центрального атома, участвующие в образовании s-связей и содержащие неподеленные электронные пары. Орбитали, принимающие участие в образовании p-связей, гибридизации не подвергаются.

В основе метода молекулярных орбиталей (МО) лежит представление о том, что в молекулах, как и в атомах, электроны распределяются по орбиталям. Каждая молекулярная орбиталь характеризуется определенным набором молекулярных квантовых чисел, которые в принципе аналогичны квантовым числам атомных орбиталей. В молекуле при заполнении орбиталей сохраняют свою справедливость принцип Паули, правило Хунда, т. е. те же критерии, что и в случае размещения электронов в атоме. Молекулярные орбитали являются общими для нескольких атомных ядер. Метод МО отличается от метода ВС тем, что не предполагает образования локализованных двухцентровых связей в молекулах. В ряде случаев электрон может быть как делокализованным по всей молекуле, так и принимающим участие в образовании двухцентровых молекулярных орбиталей.

Метод МО допускает, что молекула – это система с обобществленными электронами и ядрами. В простейшем приближении молекулярные орбитали можно представить как линейную комбинацию атомных орбиталей (метод ЛКАО).

Если комбинируются две атомные орбитали, то образуются две молекулярные орбитали, отличные по энергии от исходных атомных. Одна из них соответствует более низкой энергии электронов (связывающая МО), а вторая – более высокой энергии электронов (разрыхляющая МО) по сравнению с их энергией на атомных орбиталях.

В общем случае из n исходных атомных орбиталей образуется n молекулярных орбиталей. Химическая связь между атомами реализуется в том случае, когда число электронов на связывающих молекулярных орбиталях превышает число электронов на разрыхляющих орбиталях. Под порядком (кратностью) связи (п. с.) в методе МО понимают полуразность числа связывающих и числа разрыхляющих электронов:

.

Порядок связи может принимать как целочисленные, так и дробные значения. Нецелочисленные значения являются следствием делокализации и многоцентровости связей в методе МО. Если п. с. = 0, то система неустойчива и связь не возникает. Чем выше порядок связи, тем меньше длина связи и больше энергия разрыва связи.

Метод МО предсказывает магнитные свойства веществ. Если на МО имеются неспаренные электроны, то молекула парамагнитна, если

все электроны спарены – диамагнитна. Образование молекулярных орбиталей из атомных и заполнение их электронами обычно иллюстрируют посредством энергетических диаграмм.

Пример 1. Определите пространственную структуру молекул CO₂ и H₂O.

Решение. В молекуле CO₂ центральным является атом углерода, поэтому его орбитали подвергаются гибридизации. Сокращенная электронная формула:

в возбужденном состоянии:

В образовании s-связей с атомами кислорода принимают участие один s - и один p -электрон атома углерода, что соответствует sp -гибридизации, которая определяет линейную структуру молекулы CO₂. Оставшиеся два p -электрона расходуются на образование p-связей с атомами кислорода.

Структура молекулы CO₂ имеет вид:

O = C = O.

В молекуле H₂O центральным является атом кислорода. Сокращенная электронно-графическая формула атома кислорода:

В образовании s-связей с двумя атомами водорода принимают участие два неспаренных p -электрона атома кислорода и еще остается две неподеленные электронные пары на s - и p -орбиталях, т. е. в гибридизации принимают участие одна s - и три p -орбитали, что соответствует sp ³-гибридизации атома кислорода.

При образовании молекулы воды атомы водорода занимают две вершины тетраэдра, а к еще двум вершинам направлены электронные облака неподеленных пар атома кислорода. Угол связи HOH равен 104,5^о, что несколько отличается от угла правильного тетраэдра, это связано с наличием неподеленных пар электронов. Строение молекулы воды можно представить схемой:

Молекула воды имеет уголковую форму.

Пример 2. Объясните с позиций метода МО возможность существования молекулярного иона H₂⁺.

Решение. Энергетическая схема образования молекулярного иона H₂⁺ имеет вид:

В молекулярном ионе H₂⁺ единственный электрон находится на связывающей молекулярной орбитали, следовательно, порядок связи составляет

и такой ион существует.

Пример 3. Разъясните на основе метода МО парамагнитные свойства молекулы O₂.

Решение. Сокращенная электронная формула атома кислорода:

O …2 s ²2 p ⁴.

Энергетическая схема образования молекулы кислорода представлена ниже на рисунке.

Порядок связи в молекуле кислорода равен

.

Наличие двух неспаренных электронов на разрыхляющих молекулярных орбиталях обусловливает парамагнитные свойства молекулы O₂.

Поиск по сайту: