Учебное пособие: Типы химических связей

Типы химических связей. Электростатическая, ковалентная связь. Ковалентная связь в органических соединениях. Строение метана. Строение молекул с N, O-атомами с неподеленной парой электронов. Строение и физико-химические свойства органических соединений.

Связь между частицами лучше всего определять через энергию, которую система теряет при образовании соединения - аддукта.


1. Электростатическая связь

1.1 Ионная связь

1.2 Ион-дипольное взаимодействие

1.3 Диполь-дипольное взаимодействие

         ИОННАЯ СВЯЗЬ

Ион-дипольное взаимодействие

 

 

Диполь-дипольное взаимодействие

 


2. КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ - связь, образованная двумя электронами

Переход от ковалентной связи к ионной

ковалентная связь полярная ковалентная связь ионная связь
А:А

d+В:Аd-

М+ А-

2.1 Молекулярные орбитали - атомные орбитали

Молекула водорода Н2

Длина связи

Энергетическая диаграмма для разрыхляющей и связывающей орбиталей

3. Структуры Льюиса

 

Связь между атомами обеспечивается электронными парами (американский химик Джилберт Льюис)


4.   Некоторые свойства ковалентных связей (длина связи, полярность связи и энергия связи)

 

4.1 Длина связи

Минимальное расстояние между атомами отвечает минимальной потенциальной энергии системы.

Кривая потенциальной энергии (энергетический профиль)

2 - участок притяжения, вызванного индуцированной поляризацией (дисперсионые силы Лондона).

Половина расстояния, разделяющего атомы в точке 3, соответствует вандерваальсову радиусу.


Вандерваальсовы радиусы

Атом или группа Вандерваальсов радиус, Е
Br 1,35
CH2 2,0
CH3 2,0
Cl 1,8
F 1,35
H 1,2
I 2,15
N 1,15
O 1,4

4.2 Полярность связи

 

Диоксид углерода, представляющий собой линейную молекулу, имеет нулевой дипольный момент, а дипольный момент диоксида серы, нелинейной молекулы, равен 1,6 Д.

Дипольный момент может быть рссчитан по формуле:

m = e · l

e-элементарный заряд

l-расстояние между центрами положительных и отрицательных зарядов.

Дипольный момент измеряют в дебаях (Д). 1 дебай равен 10-18 е·см


Средняя величина дипольных моментов связей и функциональных групп

Структурная единица Дипольный момент, Д
H-Br 0,74
H-Cl 1,03
H-N 1,3
H-O 1,5
H-S 0,7
C-Cl 1,9
C-N 1,0
C-O 1,2
C=O 2,7
C-NO2 4,0

4.3. Энергия связи

Процесс, в результате которого разрывается ковалентная связь и каждый из фрагментов сохраняет один электрон, называется «гомолизом» или «гомолитическим расщеплением».

X-Y ® X· + Y· гомолитическое расщепление

Энергия, требующаяся для гомолитического расщепления отдельной связи и образования двух нейтральных атомов, называется энергией диссоциации (ккал/моль).

Средняя величина энергии, необходимая для разрыва отдельной связи называется энергией связи.

Энергия связей, ккал/моль

H-C 99
C-C 80
C-O 81
C-N 62
C-S 65
H-N 84
C-F 102
C-Cl 77
C-I 56
H-O 110

Энергетический профиль образования А2


5. Связь в органических соединениях

 

Ковалентная связь характерна для соединений углерода, именно эта связь имеет основное значение в химии органических соединений.

Примеры написания моделей связей.

атомные орбитали углерода

Элементы пространства, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называют орбиталью. Орбитали отличаются формой и энергией.


6. Строение метана

Электронная конфигурация основного состояния изолированного атома углерода:

Рассмотрение электронного строения метана дает основание утверждать, что углерод 2-х валентен и должен образовывать соединения строения СН2, однако в метане углерод соединение 4 атомами углерода. Чтобы получить 4-х валентный углерод, необходимо иметь следующую схему распределения электронов:

Возбужденное состояние атома включает образование четырех новых внешних орбиталей путем «гибридизации» 2s-орбитали и всех трех 2р-орбиталей. Четыре гибридные орбитали обладают одинаковой энергией, и каждая из них обозначается 2sp3. Гибридные орбитали обладают наибольшей степенью направленности, они точно эквивалентны друг другу. Главные оси четырех гибридных орбиталей направлены к углам правильного тетраэдра - расположение, при котором орбитали максимально удалены друг от друга.

Угол связи (109,50) определяется условием максимального перекрывания гибридных орбиталей с орбиталями водорода.

Длина связи в метане 1,09 A.

Энергия связи 102 ккал/моль (417,05•103Дж/моль)

В отличии от ионной связи, прочность которой одинакова по всем направлениям, ковалентная связь является направленной.

Для углерода возможны три типа гибридизации:


7. Строение молекул с n, o-атомами с неподеленной парой электронов

 

NH3

Энергия связи 103 ккал/моль (431,24•103Дж/моль)

Н2О

Энергия связи 103 ккал/моль (431,24•103 Дж/моль)

Наличие свободных электронов у аммиака и воды придает им основные свойства, более сильные у аммиака.


8. Строение и физико-химические свойства

Т пл., Т кип., растворимость.

Физические свойства дают информацию о строении вещества. Строение позволяет предсказать физические свойства.

Сравнить ионные и неионные соединения:

NaCl Т пл 8010С

СН4 Т пл. -1830С

Межмолекулярные силы

Диполь-дипольное взаимодействие, вандерваальсовы силы (индуцир. диполь)

NaCl Т кип 14130С (ионная пара - газообразное состояние)

CH4  Т кип -161,50С

H2O   1000С

NH3    -330С

Растворимость

Ион-дипольное взаимодействие

Na+   НОН

сольватация        гидратация

Подобное растворяется в подобном. Растворимость определяется полярностью.

СН4 и CCl4 нерастворимы в воде

СН3ОН растворим в воде.