лек. 7 хим. связь

Лекция 7

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Наблюдаемые факты Атомы большинства химических элементов не существует в природе в свободном (не связанном с другими атомами) виде а взаимодействуют друг с другом или с атомами других элементов с образованием молекул или ионов

Иначе говоря атомы большинства элементов становятся более устойчивыми при образовании химических связей с другими атомами (молекулярное состояние вещества более устойчивое чем атомное)


Условия образования химической связи образование связей происходит при условии что возникает энергетическое состояние с более низкой полной энергией чем у непрореаги-ровавших исходных атомов

Это возможно в том случае если при образовании молекул происходит понижение полной энергии системы те при образовании химических связей выделяется энергия

А(г) + В(г) rarr АВ(г) + энергия

laquoМаксимуму устойчивости соответствует минимум энергии системыraquo

ИСТОРИЯ ВОПРОСА

1 Гравитационная теория химической связи (Бертолле)

2 Электрохимическая теория химической связи (Берцелиус)

3 Теория строения химических соединений (А М Бутлеров 1861г)

4 Современная теория химической связи

Современная теория ХС исходит из представления что в образовании химической связи между атомами из всех существующих в природе сил существенны только электро-статические силы те силы взаимодействия электрических зарядов носителями которых являются электроны и ядра атомов

Фундаментальная роль в образовании химических связей принадлежит электронам электроны выполняют роль своеобразного laquoклеяraquo удержива-ющего атомы друг около друга

СОВРЕМЕННАЯ ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

1 У s- и p- элементов внешними электронами

2 У d-элементов внешними nS- и пред-внешними (n-1) d- электронами

3 У f-элементов nS (n-1)d и (n-2) f- электро-нами

Химическая связь осуществляется валентными электронами

Согласно квантовомеханическим представле-ниям описать химическую связь в веществе ndash выяснить как распределяется электронная плотность в веществе для чего необходимо точное решение уравнения Шредингера

Точное решение уравнения Шредингера осуществлено только для иона Н2

+ Для систем с двумя и большим числом электронов применяют приближенные решения

В зависимости от характера распределения электронной плотности в веществе различают три основных типа химической связи ковалентную ионную и металлическую

Водородная Ван ndash дер ndash Вальсова

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

Ковалентная связь ndash связь образуемая парой электронов распределенной обобществляемой между двумя или большими числом атомов

Первую модель ковалентной связи основанную на представлении о обобществлении электронов предложил американский ученый Льюис 1916г

Льюис выдвинул следующий принцип атомы образуют химические связи в результате потери присоединения или обобществлении такого количества электронов чтобы приобрести завершенную электронную конфигурацию атомов

ТЕОРИЯ КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗИ

Внешний уровень называется завершенным если он содержит максимальное число электронов которое может вместить

Завершенные уровни отличаются большой устойчивостью (минимум энергии ) и характерны для атомов благородных газов (у всех у них кроме гелия на внешнем уровне содержится по восемь электронов (s2p6)

Оболочка из восьми электронов получила название ОКТЕТА Таким образом по Льюису химическая связь образуется вследствие стремления атомов приобрести устойчивую восьмиэлектронную оболочку (электронный октет)


ОБРАЗОВАНИЕ ОКТЕТА

Cl + Cl rarr Cl Cl

Na + Cl rarr Na Cl

2s22p53s1 3s23p5 2s22p6 3s23р6

+ ndash

1 Обобществление электронов (ковалентная связь)

middotmiddot

3s23p5 3s23p5 3s23p6 3s23p6

2 Перенос электрона (ионная связь)

электронный октет

В современной теории химической связи для объяснения причины понижения энергии при образовании ковалентной связи используются два метода метод валентных связей (МВС) и метод молекулярных орбиталей (ММО)

ТЕОРИИ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

МЕТОД ВАЛЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ

Метод ВС основан на двух идеях

1 Химическая ковалентная связь возникает в результате перекрывания атомных орбиталей (одноэлектронных облаков) принадлежащих разным атомам получающаяся связь является двухцентровой двухэлектронной связью

2 При образовании молекулы электронная структура составляющих ее атомов в основном сохраняется а все химические связи в молекуле могут быть представлены набором локализо-ванных (фиксированных) двухцентровых двух-электронных связей

МЕТОД ВС

Перекрывание 1s ndash орбиталей двух атомов водо-рода схематически изображают так

Н Н Н Н+

1s1 1s1 1s2 1s2

областьвысокихэнергий

областьнизких

энергий

ОТТАЛКИВАНИЕ

ПРИТЯЖЕНИЕ

r0 = 0074

r нм

+

0

ndash

Энергия изолированных

атомов

МЕТОД ВС

Перекрывание 1s ndash орбиталей двух атомов водорода схематически изображают так

Н Н Н Н+

1s1 1s1 1s2 1s2



энергий



r0 = 0074

r нм

+

0

ndash


атомов

Ковалентная связь может возникать не только за счет перекрывания одноэлектронных облаков с противо-положными спинами

ДОНОРНО ndash АКЦЕПТОРНЫЙ МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗИ

В этом случае химическая связь образуется за счет электронной пары одной частицы (донора) и свободной орбитали другой (акцептора)

общая схема А + В А ndash В

А + В А В (или А ndash В)

Метод ВС предлагает и другой способ образования ковалентной связи ndash донорно-акцепторный

Донор Акцептор


ПРИМЕР NH3 + H+ rarr NH4+

2s 2p H N + H+ rarr H N H


H

1H hellip 1s2

HH7N hellip 2s22p3

H

СВОЙСТВА КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗИ

1 НАСЫЩАЕМОСТЬ 2 НАПРАВЛЕННОСТЬ 3 ПОЛЯРИЗУЕМОСТЬ

Насыщаемость ковалентной связи Валентность

Вследствие насыщаемости ковалентной связи атомы элементов могут образовывать лишь ограниченное число химических связей

Способность атома химического элемента к образованию определенного числа химических связей с другими атомами называется ВАЛЕНТНОСТЬЮ

Численное значение валентности соответствует числу ковалентных связей образуемых атомом в представлении метода ВС

Если учитывать только обычный механизм образования ковалентных связей (за счет неспа-ренных электронов) то валентность будет определяться числом имеющихся в атоме неспаренных электронов (СПИНВАЛЕНТНОСТЬ)

С учетом донорно-акцепторного механизма образования ковалентной связи численное значение валентности будет определяться не только наличием одноэлектронных облаков но и двух ndash электронных облаков и свободных орбиталей

Валентность в общем случае будет определяться числом орбиталей используемых при образовании химических связей

НАСЫЩАЕМОСТЬ КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗИ ВАЛЕНТНОСТЬ

НАПРАВЛЕННОСТЬ КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗИ

1 σ-связи ndash возникают при перекрывании АО вдоль линии соединяющей атомные центры

2 π-связи ndash электронные облака (АО) пере-крываются по обе стороны от линии соединения атомов

3 δ-связи ndash возникают при перекрывании всех четырех лопастей d-электронных облаков расположенных в параллельных плоскостях

Электронные облака (АО) атома имеют определенную форму и расположение в пространстве Их взаимное перекрывание может осуществляться разными способами


σ-связь

π-связь

δ-связь

s-s s-p p-p d-d

p-p d-p d-d

d-d

Направленность ковалентной связи

σ-связь

π-связь

δ-связь

s-s s-p p-p d-d

p-p d-p d-d

d-d

КРАТНЫЕ СВЯЗИ

middot

В молекуле N2 тройная связь состоит из одной σ-связи (Px ndash Px) и двух π-связей (Py ndash Py и Pz ndash Pz ndash перкрывание)

7N hellip 2s22p3

2s 2p

Px Py Pz

π- и σ- связи могут накладываться на σ-связи вследствие чего образуются двойные и тройные связи

Пример N + N rarr N equiv N

middot

Поскольку электронные облака (АО) направлены в пространстве то их химические связи образуемые с их участием пространственно направлены Так гантелевидные р-орбитали расположены в атоме взаимно перпендикулярно поэтому угол между σ-связями образованный р-электронами равен 90ordm

Пространственная конфигурация молекул

π

π

z

x

y

y

z

x σ N N

π

σ

Slide 1

Slide 2

Slide 3

Slide 4

Slide 5

Slide 6

Slide 7

Slide 8

Slide 9

Slide 10

Slide 11

Slide 12

Slide 13

Slide 14

Slide 15

Slide 16

Slide 17

Slide 18

Slide 19

Slide 20

Slide 21

Slide 22


Условия образования химической связи образование связей происходит при условии что возникает энергетическое состояние с более низкой полной энергией чем у непрореаги-ровавших исходных атомов

Это возможно в том случае если при образовании молекул происходит понижение полной энергии системы те при образовании химических связей выделяется энергия

А(г) + В(г) rarr АВ(г) + энергия

laquoМаксимуму устойчивости соответствует минимум энергии системыraquo




























Cl + Cl rarr Cl Cl

Na + Cl rarr Na Cl

2s22p53s1 3s23p5 2s22p6 3s23р6

+ ndash


middotmiddot

3s23p5 3s23p5 3s23p6 3s23p6









МЕТОД ВС


Н Н Н Н+

1s1 1s1 1s2 1s2



энергий



r0 = 0074

r нм

+

0

ndash


атомов

МЕТОД ВС


Н Н Н Н+

1s1 1s1 1s2 1s2



энергий



r0 = 0074

r нм

+

0

ndash


атомов












H

1H hellip 1s2

HH7N hellip 2s22p3

H

















σ-связь

π-связь

δ-связь

s-s s-p p-p d-d

p-p d-p d-d

d-d


σ-связь

π-связь

δ-связь

s-s s-p p-p d-d

p-p d-p d-d

d-d


middot


7N hellip 2s22p3

2s 2p

Px Py Pz



middot



π

π

z

x

y

y

z

x σ N N

π

σ

Slide 1

Slide 2

Slide 3

Slide 4

Slide 5

Slide 6

Slide 7

Slide 8

Slide 9

Slide 10

Slide 11

Slide 12

Slide 13

Slide 14

Slide 15

Slide 16

Slide 17

Slide 18

Slide 19

Slide 20

Slide 21

Slide 22




























Cl + Cl rarr Cl Cl

Na + Cl rarr Na Cl

2s22p53s1 3s23p5 2s22p6 3s23р6

+ ndash


middotmiddot

3s23p5 3s23p5 3s23p6 3s23p6









МЕТОД ВС


Н Н Н Н+

1s1 1s1 1s2 1s2



энергий



r0 = 0074

r нм

+

0

ndash


атомов

МЕТОД ВС


Н Н Н Н+

1s1 1s1 1s2 1s2



энергий



r0 = 0074

r нм

+

0

ndash


атомов












H

1H hellip 1s2

HH7N hellip 2s22p3

H

















σ-связь

π-связь

δ-связь

s-s s-p p-p d-d

p-p d-p d-d

d-d


σ-связь

π-связь

δ-связь

s-s s-p p-p d-d

p-p d-p d-d

d-d


middot


7N hellip 2s22p3

2s 2p

Px Py Pz



middot



π

π

z

x

y

y

z

x σ N N

π

σ

Slide 1

Slide 2

Slide 3

Slide 4

Slide 5

Slide 6

Slide 7

Slide 8

Slide 9

Slide 10

Slide 11

Slide 12

Slide 13

Slide 14

Slide 15

Slide 16

Slide 17

Slide 18

Slide 19

Slide 20

Slide 21

Slide 22







МЕТОД ВС


Н Н Н Н+

1s1 1s1 1s2 1s2



энергий



r0 = 0074

r нм

+

0

ndash


атомов

МЕТОД ВС


Н Н Н Н+

1s1 1s1 1s2 1s2



энергий



r0 = 0074

r нм

+

0

ndash


атомов












H

1H hellip 1s2

HH7N hellip 2s22p3

H

















σ-связь

π-связь

δ-связь

s-s s-p p-p d-d

p-p d-p d-d

d-d


σ-связь

π-связь

δ-связь

s-s s-p p-p d-d

p-p d-p d-d

d-d


middot


7N hellip 2s22p3

2s 2p

Px Py Pz



middot



π

π

z

x

y

y

z

x σ N N

π

σ

Slide 1

Slide 2

Slide 3

Slide 4

Slide 5

Slide 6

Slide 7

Slide 8

Slide 9

Slide 10

Slide 11

Slide 12

Slide 13

Slide 14

Slide 15

Slide 16

Slide 17

Slide 18

Slide 19

Slide 20

Slide 21

Slide 22

МЕТОД ВС


Н Н Н Н+

1s1 1s1 1s2 1s2



энергий



r0 = 0074

r нм

+

0

ndash


атомов












H

1H hellip 1s2

HH7N hellip 2s22p3

H

















σ-связь

π-связь

δ-связь

s-s s-p p-p d-d

p-p d-p d-d

d-d


σ-связь

π-связь

δ-связь

s-s s-p p-p d-d

p-p d-p d-d

d-d


middot


7N hellip 2s22p3

2s 2p

Px Py Pz



middot



π

π

z

x

y

y

z

x σ N N

π

σ

Slide 1

Slide 2

Slide 3

Slide 4

Slide 5

Slide 6

Slide 7

Slide 8

Slide 9

Slide 10

Slide 11

Slide 12

Slide 13

Slide 14

Slide 15

Slide 16

Slide 17

Slide 18

Slide 19

Slide 20

Slide 21

Slide 22












H

1H hellip 1s2

HH7N hellip 2s22p3

H

















σ-связь

π-связь

δ-связь

s-s s-p p-p d-d

p-p d-p d-d

d-d


σ-связь

π-связь

δ-связь

s-s s-p p-p d-d

p-p d-p d-d

d-d


middot


7N hellip 2s22p3

2s 2p

Px Py Pz



middot



π

π

z

x

y

y

z

x σ N N

π

σ

Slide 1

Slide 2

Slide 3

Slide 4

Slide 5

Slide 6

Slide 7

Slide 8

Slide 9

Slide 10

Slide 11

Slide 12

Slide 13

Slide 14

Slide 15

Slide 16

Slide 17

Slide 18

Slide 19

Slide 20

Slide 21

Slide 22

















σ-связь

π-связь

δ-связь

s-s s-p p-p d-d

p-p d-p d-d

d-d


σ-связь

π-связь

δ-связь

s-s s-p p-p d-d

p-p d-p d-d

d-d


middot


7N hellip 2s22p3

2s 2p

Px Py Pz



middot



π

π

z

x

y

y

z

x σ N N

π

σ

Slide 1

Slide 2

Slide 3

Slide 4

Slide 5

Slide 6

Slide 7

Slide 8

Slide 9

Slide 10

Slide 11

Slide 12

Slide 13

Slide 14

Slide 15

Slide 16

Slide 17

Slide 18

Slide 19

Slide 20

Slide 21

Slide 22


σ-связь

π-связь

δ-связь

s-s s-p p-p d-d

p-p d-p d-d

d-d


middot


7N hellip 2s22p3

2s 2p

Px Py Pz



middot



π

π

z

x

y

y

z

x σ N N

π

σ

Slide 1

Slide 2

Slide 3

Slide 4

Slide 5

Slide 6

Slide 7

Slide 8

Slide 9

Slide 10

Slide 11

Slide 12

Slide 13

Slide 14

Slide 15

Slide 16

Slide 17

Slide 18

Slide 19

Slide 20

Slide 21

Slide 22


middot


7N hellip 2s22p3

2s 2p

Px Py Pz



middot



π

π

z

x

y

y

z

x σ N N

π

σ

Slide 1

Slide 2

Slide 3

Slide 4

Slide 5

Slide 6

Slide 7

Slide 8

Slide 9

Slide 10

Slide 11

Slide 12

Slide 13

Slide 14

Slide 15

Slide 16

Slide 17

Slide 18

Slide 19

Slide 20

Slide 21

Slide 22



π

π

z

x

y

y

z

x σ N N

π

σ

Slide 1

Slide 2

Slide 3

Slide 4

Slide 5

Slide 6

Slide 7

Slide 8

Slide 9

Slide 10

Slide 11

Slide 12

Slide 13

Slide 14

Slide 15

Slide 16

Slide 17

Slide 18

Slide 19

Slide 20

Slide 21

Slide 22

лек. 7 хим. связь

Documents

Transcript of лек. 7 хим. связь