Механизмы образования ковалентной связи.

Типы и физические характеристики
химических связей.
Ковалентная связь.
Механизмы образования ковалентной связи.
Атомы в молекулах химически связаны. Под химической
связью понимают электрические силы притяжения,
удерживающие частицы друг около друга. Химическая
связь называется ковалентной, если она образована путем
обобществления пары электронов обоими атомами. В
молекуле CL2 оба атома хлора имеют одинаковую
электроотрицательность, следовательно, обладание
электронной парой для них одинаково. Такую химическую
связь называют неполярной, так как у каждого атома хлора
электронная плотность одинакова, и общая пара электронов
в равной степени принадлежит обоим атомам.
В молекуле хлороводорода HCL химическая связь
полярная, так как электронная плотность на атоме хлора
( элемента с большей электроотрицательностью )
значительно выше, чем на атоме водорода. Ковалентная
полярная связь образуется между атомами неметаллов с
разной электроотрицательностью. На этом уровне данная
тема изучается в курсе 8 класса.
В курсе 9 класса рассматривается еще один механизм
образования ковалентной связи.
Ковалентная связь, например H-H, образована путем
обобществления электронов двух нейтральных атомов.
Такой механизм образования связи называется обменным
или равноценным.
Самым простым случаем образования ковалентной связи
по донорно-акцепторному механизму является реакция
аммиака с ионом водорода:
. Роль акцептора
электронной пары играет пустая орбиталь иона водорода, а
роль донора играет неподеленная электронная пара атома
азота. Это приводит к образованию иона аммония. В ионе
аммония NH4+ атом азота четырехвалентен. Аналогично
образуется донорно-акцепторная связь в ионе
метиламмония при взаимодействии метиламина с
кислотами.
В курсе 11 класса по 2 часовой программе можно
рассмотреть механизм взаимодействия аммиака NH3 с
трифторидом бора BF3 NH3 + BF3 = NH3BF3 + 171,4
кДж/моль.
Рассмотрим механизм этой реакции:
Кратность связи.
Ковалентные связи классифицируют не только по
полярности связи и механизму образования общих
электронных пар, но и по способу перекрывания
электронных орбиталей и по числу общих электронных пар.
По способу перекрывания электронных орбиталей
различают сигма- и пи- связи. Если в 9 классе в теме
«Неметаллы» число связей, например, в молекуле
кислорода и азота объясняется числом неспаренных
электронов внешнего уровня, то в курсе 10 класса в теме
«Строение атома углерода» рассматриваются кратные связи
между атомами углерода. Одинарные связи H – H, F – F, H –
Cl, С-С образуются за счет перекрывания электронных
облаков по линии, соединяющей ядра атомов, такая связь
прочная. π-связи между атомами углерода образуются за
счет бокового перекрывания р-орбиталей над и под линией,
соединяющей ядра атомов. π-связь менее прочная, чем σсвязь. В молекулах алкинов между атомами углерода
существует одна сигма - связь и две - пи связи, которые
находятся во взаимно перпендикулярных плоскостях.
Кратные связи называются двойные и тройные. Другие
физические характеристики связи: длина, энергия,
полярность и валентный угол могут быть рассмотрены в
курсе факультативных занятий 11 класса.
Энергия связи (Есв) – это теплота, которая выделяется при
образовании данной связи и затрачивается на ее разрыв. Для
одних и тех же атомов одинарная связь всегда слабее чем
кратная (двойная, тройная).
Длина химической связи (lсв) – межъядерное расстояние.
Для одних и тех же атомов одинарная связь всегда длиннее,
чем кратная.
Полярность связи измеряется электрическим дипольным
моментом p – произведением реального электрического
заряда (на атомах данной связи) на длину диполя (то есть
длину связи).
Ионная связь.
Ионная связь возникает при электростатическом
притяжении катионов и анионов без (почти)
обобществления пары электронов, например между K+ и I-.
Так как каждый элемент стремится к завершению
наружного электронного уровня, металлы отдают
электроны, проявляя восстановительные свойства, а
неметаллы забирают, проявляя свойства окислителей. При
этом возникает положительный заряд на атоме металла и
отрицательный заряд на атоме неметалла. Между ними
действуют электростатические силы. Ионные соединения
твердые прочные тугоплавкие. Однако при образовании
ионной связи не происходит полного перехода электронов.
Ионная является крайним случаем ковалентной полярной
связи. Такая связь наиболее характерна для соединений
типичных металлов и неметаллов (CsF, Nabr, CaO, K2S,
Li3N) и веществ класса солей (NaNO3, K2SO4, CaCO3). Все
эти соединения при комнатных условиях представляют
собой кристаллические вещества, которые объединяют
общим названием ионные кристаллы ( кристаллы,
построенные из катионов и анионов).
Металлическая связь.
Известен еще один вид связи, называемый металлической
связью, в которой валентные электроны так непрочно
удерживаются атомами металлов, что фактически не
принадлежат конкретным атомам.
Атомы металлов, оставшиеся без четко принадлежащих им
внешних электронов, становятся, как бы, положительными
ионами, которые притягиваются к этим электронам. Такая
связь характеризуется ненаправленностью,
ненасыщаемостью. Вещества с такой связью образуют
металлическую кристаллическую решетку. Наличием
металлической связи обусловлены физические свойства
металлов и сплавов: твердость, металлический блеск,
ковкость, пластичность, электрическая проводимость и
теплопроводность. Вещества с металлической связью
имеют металлическую кристаллическую решетку.
Водородная связь.
Водородная связь образуется за счет сил
электростатического притяжения полярных молекул,
содержащих атомы самых электроотрицательных элементов
– F, O, N, и частично положительного атома H. Например,
водородные связи имеются в HF, H2O, NH3, но их нет в HCl,
H2S, PH3. Они бывают межмолекулярными и
внутримолекулярными. При наличии межмолекулярной
водородной связи, даже низкомолекулярные вещества могут
быть при обычных условиях жидкостями (спирт, вода) или
легко сжижающимися газами (аммиак, фтор, водород).
Водородные связи малоустойчивы и разрываются довольно
легко, например, при плавлении льда и кипении воды.
Однако на разрыв этих связей затрачивается некоторая
дополнительная энергия, и поэтому температуры плавления
и кипения веществ с водородными связями оказываются
значительно выше, чем у подобных веществ, но без
водородных связей. Вещества с водородной связью имеют
молекулярные кристаллические решетки.