ChemNet
 

С. Т. Жуков Химия 8-9 класс

[предыдущий раздел] [содержание] [следующий раздел]

7.8. Виды ковалентной связи

Ковалентная связь образуется за счет перекрывания электронных облаков связываемых атомов. Существуют разные способы перекрывания этих электронных облаков.

1. Прямое перекрывание:

Image801.gif (3008 bytes)

В этом случае единственная область перекрывания электронных облаков лежит на прямой, соединяющей ядра атомов. Связь, образованная таким образом, называется -связью.

В зависимости от вида перекрывающихся облаков может образоваться s-s, s-p, p-p и другие разновидности -связи.

-Связь – ковалентная связь между атомами, образованная при прямом перекрывании их электронных облаков.

2. Боковое перекрывание:

Image802.gif (3005 bytes)

В этом случае две области перекрывания электронных облаков находятся по разные стороны от плоскости, в которой лежат ядра связываемых атомов. Связь, образованная при таком перекрывании ЭО, называется  pi.lc.gif (54 bytes) - связью.
Как и в случае -связи, в зависимости от вида перекрывающихся облаков могут образоваться различные разновидности -связи: p-p, p-d, d-d и т. п.

-Связь – ковалентная связь между атомами, образованная при боковом перекрывании их электронных облаков.

И -, и -связь имеют определенное направление, которое возникает из-за стремления атомов к максимально эффективному перекрыванию ЭО, то есть к перекрыванию облаков в области максимальной электронной плотности. Таким образом, ковалентная связь обладает направленностью. Например, в молекуле сероводорода H2S направления двух -связей между атомом серы и двумя атомами водорода почти перпендикулярны (см. схему на стр. 95). У атома есть вполне определенное число неспаренных электронов, поэтому он может образовать вполне определенное число ковалентных связей. Таким образом, ковалентная связь обладает насыщаемостью. Например, если атом хлора образовал одну -связь с атомом водорода (см. схему на стр. 95), то соединиться еще с одним атомом водорода он уже не может.

Сравнение характеристик - и -связи приведено в таблице 20.

Таблица 20. Сравнение характеристик - и -связи

-связь

-связь

Одна область перекрывания

Две области перекрывания

Электронные облака перекрываются частями с наибольшей электронной плотностью
DARROW.GIF (62 bytes)
Перекрывание эффективное
DARROW.GIF (62 bytes)
Связь прочная

Электронные облака перекрываются своими периферийными частями
DARROW.GIF (62 bytes)
Перекрывание менее эффективное
DARROW.GIF (62 bytes)
Связь менее прочная

Так как -связь почти всегда менее прочная, чем -связь, то обычно между атомами сначала образуется -связь, а потом, если есть возможность, то и -связь. Следовательно, -связь возможна только в случае образования кратных связей (двойных и тройных):

Image803.gif (1870 bytes)

Циановодород – HCN. Другое название – синильная кислота. Это бесцветная летучая жидкость с температурой кипения 26 oС. При сильном нагревании или на свету она разлагается. Синильная кислота смешивается с водой во всех отношениях. По аналогии с галогеноводородами раствор циановодорода в воде называют циановодородной кислотой. Синильная кислота и ее соли (цианиды) – очень сильные яды (смертельная доза для человека не более 50 мг), причем сама кислота способна проникать в организм даже через неповрежденную кожу. Попав в организм, циановодород и цианиды связывают гемоглобин в циангемоглобин, поражают дыхательные центры и вызывают удушье. Несмотря на свою токсичность, синильная кислота используется в производстве синтетических волокон и некоторых видов пластмасс. В небольших концентрациях синильная кислота встречается в растительном мире (например, в горьком миндале).

Image228a.gif (141 bytes) -СВЯЗЬ, -СВЯЗЬ.
Image228b.gif (137 bytes)1.В конце параграфа приведены структурные формулы четырех веществ. Составьте для них электронные и молекулярные формулы.
2.Составьте обычные структурные и электронные формулы следующих веществ: CH3Cl, COF2, SO2Cl2 и N2H4. В случае затруднения изобразите схемы образования связей в этих молекулах. Укажите в структурных формулах -связи. Имейте в виду, что в CH3Cl атомы Н и Cl связаны только с атомами С, в COF2 атомы O и F также связаны только с атомами углерода, а в SO2Cl2 атомы O и С1 связаны только с атомом S.

7.9. Энергия ковалентной связи

Прочность связи характеризуется энергией связи (см. параграф 7.5). Прочность ковалентной связи можно оценить двумя способами: определив энергию, необходимую для разрыва всех связей в определенной порции вещества, или определив энергию, необходимую для разрыва известного числа связей. В первом случае такая энергия называется энергией атомизации, во втором – энергией связи. На практике используют соответствующие молярные величины.

Молярная энергия атомизации (Еат) – отношение энергии, затрачиваемой на разделение порции молекул вещества на изолированные атомы, к количеству вещества в этой порции.

Молярная энергия атомизации показывает, какую энергию нужно затратить на разделение 1 моля вещества на изолированные атомы.

Молярная энергия связи (Есв) – отношение энергии, затрачиваемой на разрыв определенного числа связей, к числу этих связей, измеренному в молях.

Молярная энергия связи показывает, какую энергию нужно затратить на разрыв 1 моля (6,02.1023) связей. Для двухатомных молекул эти энергии совпадают.
И ту, и другую молярную энергию измеряют в килоджоулях на моль: в случае энергии атомизации – на моль вещества, а в случае энергии связи – на моль связей. При подсчете числа связей для определения Есв двойную (или тройную) связь считают одной связью.

Таблица 21.Примеры значений Еат и средних значений Есв (в кДж/моль)

Вещество

Еат

Вещество

Еат

Связь

Есв

Связь

Есв

H2

436

HF

566

C– H

411

N=O

678

F2

159

HCl

432

N– H

390

C– C

348

Cl2

392

HBr

366

O– H

428

C=C

614

Br2

194

HI

298

Si– H

326

Cє C

839

I2

153

CO

1076

P– H

328

Cє N

891

O2

498

IBr

179

S– H

347

Si– O

452

N2

945

ClF

251

C=O

745

S=O

525

Из приведенных в таблице 21 значений можно сделать вывод, что прочность ковалентных связей тем больше, чем меньше размеры связываемых атомов и больше кратность связи.

Image228a.gif (141 bytes) МОЛЯРНАЯ ЭНЕРГИЯ АТОМИЗАЦИИ, МОЛЯРНАЯ ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ.

7.10. Строение молекул. Модель гибридизации

Большинство соединений с ковалентными связями между атомами состоит из молекул.
Понятие " строение молекул" – довольно широкое понятие и включает в себя, в частности, химическое строение и пространственное строение.

Химическое строение молекулы – последовательность и тип связей между атомами в молекуле.

Химическое строение молекулы описывается структурной формулой.

Пространственное строение молекулы – взаимное расположение атомов молекулы в пространстве.

Пространственное строение молекулы описывается пространственной формулой.
Чтобы охарактеризовать пространственное строение молекулы количественно, нужно определить межатомные расстояния и углы между связями. И то, и другое может быть определено экспериментально.

Межатомное расстояние – расстояние между ядрами атомов.

Угол между связями – угол между прямыми, проходящими через ядра атомов, связанных ковалентными связями.

Для оценки межатомных расстояний в молекулах веществ, пространственное строение которых еще не изучено, часто используют так называемые атомные (ковалентные) радиусы.

Атомный радиус – половина расстояния между атомами, связанными простой связью, в молекуле или кристалле простого вещества.

Сумма атомных радиусов атомов разных элементов равна среднему расстоянию между атомами этих элементов, связанными простой ковалентной связью, в молекулах или кристаллах. Таблица атомных радиусов приведена в приложении 9.
Для оценки углов между связями оказывается полезной модель гибридизации.
Вспомним химическое строение молекулы метана (см. рис. на стр. 21). Из схемы образования ковалентных связей в этой молекуле (стр. 105) следует, что три из четырех связей в этой молекуле совершенно одинаковы. Так как оси электронных облаков p-АО взаимно перпендикулярны, то и три ковалентных связи, образованные с участием этих облаков, должны быть направлены под прямым углом друг к другу. Четвертая же связь должна от них несколько отличаться. Экспериментально установлено, что все четыре связи в молекуле метана совершенно одинаковы и направлены в пространстве так, как это показано на рисунке (стр. 21). То есть атом углерода занимает положение в центре тетраэдра (правильного четырехгранника, треугольной пирамиды), а атомы водорода – в его вершинах. Это возможно только в том случае, если электронные облака атома углерода, участвующие в образовании связи, совершенно одинаковы и соответствующим образом расположены в пространстве.
В рамках модели гибридизации предполагается, что такое выравнивание действительно происходит.

Гибридизация атомных орбиталей и электронных облаков – предполагаемое выравнивание атомных орбиталей по энергии, а электронных облаков по форме при образовании атомом ковалентных связей.

Подвергшиеся гибридизации АО и ЭО называют гибридными.
В случае метана CH4 гибридизации подвергаются одна 2s-АО и три 2p-АО атома углерода, при этом образуются четыре sp3-гибридных АО. Схематически это можно записать так:
1(2s-АО) + 3(2р-АО) 4(sp3-АО).
Энергии орбиталей при этом становятся одинаковыми:

Image804.gif (1623 bytes)

Электронные облака 2s- и 2р-орбиталей меняют свою форму – они тоже выравниваются:

Image805.gif (1921 bytes)

В пространстве четыре получившихся sp3-ЭО направлены из центра к вершинам тетраэдра (рис. 7.4, а).
Гибридизации могут подвергаться и не все р-орбитали подуровня, например:

1(2s-АО) + 2(2р-АО) 3(sp2-АО) или 1(2s-АО) + 1(2р-АО) 2(sp-АО).

В этих случаях оси гибридных облаков лежат в одной плоскости и направлены или к вершинам равностороннего треугольника (в случае sр2-гибридизации), или просто в разные стороны (в случае sp-гибридизации) (рис. 7.4, б, в). Причина такого расположения гибридных облаков – их взаимное отталкивание.

Image806.gif (3164 bytes)

Форма гибридных ЭО допускает только прямое перекрывание этих облаков с облаками других атомов, поэтому с участием гибридных АО могут образовываться только -связи: Image807.gif (272 bytes)  и тому подобные.

Посмотрим, как с использованием модели гибридизации описывается пространственное строение некоторых молекул:

Image808.gif (2702 bytes)

Image809.gif (3115 bytes)

Image810.gif (2817 bytes)

Полученные нами пространственные формулы хорошо согласуются с экспериментальными данными.

В приведенных примерах гибридизации подвергались только орбитали с неспаренными электронами. Но, если на валентных подуровнях атома часть орбиталей полностью заполнена, эти АО тоже участвуют в гибридизации. Так гибридизуются валентные орбитали атома азота в аммиаке и атома кислорода в воде.

Image813.gif (1744 bytes)Image814.gif (1587 bytes)

В обоих случаях у центрального атома (азота или кислорода) sp3-гибридизация, но гибридные ЭО неподеленных пар электронов (в пространственных формулах не показаны малые области этих облаков) не принимают участия в образовании связей. Возможность такого объяснения строения молекул аммиака и воды подтверждается значениями углов между связями: в обеих молекулах эти углы близки к углу в правильном тетраэдре (109o28').
Для правильного прогнозирования структуры молекулы с помощью модели гибридизации АО необходимо помнить следующее:
1) при образовании ковалентных связей атомами элементов s- и р-блоков, имеющими на валентных ЭПУ только неспаренные электроны (группы IIА, IIIА и IVА), орбитали, на которых находятся эти электроны, всегда гибридизуются;
2) при образовании ковалентных связей атомами элементов р-блока, имеющими на валентных ЭПУ кроме неспаренных электронов еще и неподеленные пары (группы VА и VIА), гибридизация характерна только для атомов элементов второго периода;
3) для атомов элементов IА и VIIА групп экспериментальное подтверждение наличия или отсутствия гибридизации невозможно;
4) если нет препятствий, осуществляется sp3-гибридизация; если не хватает для этого валентных электронов, или часть из них участвует в образовании -связей, то осуществляется sp2- или sр-гибридизация.

Image228a.gif (141 bytes)ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ, ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ, МЕЖАТОМНОЕ РАССТОЯНТЕ, УГОЛ МЕЖДУ СВЯЗЯМИ, АТОМНЫЙ РАДИУС,ГИБРИДИЗАЦИЯ АО, ГИБРИДНЫЕ  ОРБИТАЛИ,УСЛОВИЯ ГИБРИДИЗАЦИИ АО .
Image228b.gif (137 bytes)1.Расположите молекулы следующих веществ в порядке возрастания энергии связи: а) H2S, H2O, H2Te, H2Se; б) PH3, NH3, SbH3, AsH3.
2.Для следующих молекул нарисуйте схемы образования ковалентных связей и определите тип гибридизации АО центральных атомов: а) ССl4, OF2, NF3; б) BeI2, BF3, SiCl4; в) H3C– CH3, HCHO, Н– С tri.gif (61 bytes) N.




Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору