Химическая связь
Силы, удерживающие атомы в образованиях: ионная, ковалентная, металлическая, водородная, межмолекулярная связи. Энергия и длина химической связи, ее особенности в твердых телах. Периодичность атомных характеристик: атомный радиус, энергия ионизации атома.
| Рубрика | Химия |
| Вид | учебное пособие |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 05.09.2009 |
| Размер файла | 258,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
ГЛАВА 3 ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
3.1 Химическая связь
Образование из атомов молекул, молекулярных ионов, ионов, кристаллических, аморфных и других веществ сопровождается уменьшением энергии по сравнению с невзаимодействующими атомами. При этом минимальной энергии соответствует определенное расположение атомов друг относительно друга, которому отвечает существенное перераспределение электронной плотности. Силы, удерживающие атомы в новых образованиях, получили обобщенное название «химическая связь». Важнейшие виды химической связи: ионная, ковалентная, металлическая, водородная, межмолекулярная.
Согласно электронной теории валентности, химическая связь возникает за счет перераспределения электронов валентных орбиталей, в результате чего возникает устойчивая электронная конфигурация благородного газа (октет) за счет образования ионов (В. Коссель) или образования общих электронных пар (Г. Льюис).
Химическая связь характеризуется энергией и длиной. Мерой прочности связи служит энергия, затрачиваемая на разрушение связи, или выигрыш в энергии при образовании соединения из отдельных атомов (Eсв). Так, на разрыв связи H-H затрачивается 435 кДж•моль-1, а на атомизацию метана CH4 - 1648 кДж•моль-1, в этом случае EC-H = 1648 : 4 = 412 кДж. Длина связи (нм) - расстояние между ядрами в том или ином соединении. Обычно длина связи и ее энергия антибатны: чем больше длина связи, тем меньше ее энергия.
Химическая связь обычно изображается черточками, соединяющими взаимодействующие атомы; каждая черта эквивалентна обобщенной паре электронов. В соединениях, содержащих более двух атомов, важной характеристикой является валентный угол, образуемый химическими связями в молекуле и отражающий ее геометрию.
Полярность молекулы определяется разностью электроотрицательностей атомов, образующих двухцентровую связь, геометрией молекулы, а так же наличием неподеленных электронных пар, так как часть электронной плотности в молекуле может быть локализована не в направлении связей. Полярность связи выражается через ее ионную составляющую, то есть через смещение электронной пары к более электроотрицательному атому. Полярность связи может быть выражена через ее дипольный момент м, равный произведению элементарного заряда на длину диполя Диполь - система из двух равных, но противоположных по знаку зарядов, находящихся на единичном расстоянии друг от друга. Дипольный момент измеряется в кулон-метрах (Кл•м) или в дебаях (D); 1D = 0,333•10-29 Кл•м. м = e • l. Полярность молекулы выражается через ее дипольный момент, который равен векторной сумме всех дипольных моментов связей молекулы.
Все эти факторы следует учитывать. Например, для линейной молекулы CO2 м = 0, но для SO2 м = 1,79 D вследствие ее углового строения. Дипольные моменты NF3 и NH3 при одинаковой гибридизации атома азота (sp3), примерно одинаковой полярности связей N-F и N-H (ОЭО N = 3; ОЭО F = 4; ОЭО H = 2,1) и сходной геометрии молекул существенно различаются, поскольку дипольный момент неподеленной пары электронов азота при векторном сложении в случае NH3 увеличивает м молекулы, а в случае NF3 уменьшает его (рис. 3.1).
Рисунок 3.1 - Сложение дипольных элементов в молекулах NH3 и NF3.
3.2 Типы химических связей
Ковалентная связь - наиболее общий вид химической связи, возникающий за счет обобществления электронной пары посредством обменного механизма, когда каждый из взаимодействующих атомов поставляет по одному электрону, или по донорно-акцепторному механизму, если электронная пара передается в общее пользование одним атомом (донором) другому атому (акцептору) (рис. 3.2).
Рисунок 3.2 - Обменный (а) и донорно-акцепторный (б) механизмы образования ковалентной связи
Классический пример неполярной ковалентной связи (разность электроотрицательностей равна нулю) наблюдается у гомоядерных молекул: H-H, F-F. Энергия двухэлектронной двухцентровой связи лежит в пределах 200-2000 кДж•моль-1.
При образовании гетероатомной ковалентной связи электронная пара смещена к более электроотрицательному атому, что делает такую связь полярной. (HCl, H2O). Ионность полярной связи в процентах вычисляется по эмпирическому соотношению 16(чA - чB) + 3,5(чA - чB)2, где чA и чB - электроотрицательности атомов А и В молекулы АВ. Кроме поляризуемости ковалентная связь обладает свойством насыщаемости - способностью атома образовывать столько ковалентных связей, сколько у него имеется энергетически доступных атомных орбиталей. О третьем свойстве ковалентной связи - направленности - речь ниже (см. метод валентных связей).
Ионная связь - частный случай ковалентной, когда образовавшаяся электронная пара полностью принадлежит более электроотрицательному атому, становящемуся анионом. Основой для выделения этой связи в отдельный тип служит то обстоятельство, что соединения с такой связью можно описывать в электростатическом приближении, считая ионную связь обусловленной притяжением положительных и отрицательных ионов. Взаимодействие ионов противоположного знака не зависит от направления, а кулоновские силы не обладают свойством насыщености. Поэтому каждый ион в ионном соединении притягивает такое число ионов противоположного знака, чтобы образовалась кристаллическая решетка ионного типа. В ионном кристалле нет молекул. Каждый ион окружен определенным числом ионов другого знака (координационное число иона). Ионные пары могут существовать в газообразном состоянии в виде полярных молекул. В газообразном состоянии NaCl имеет дипольный момент ~3•10-29 Кл•м, что соответствует смещению 0,8 заряда электрона на длину связи 0,236 нм от Na к Cl, т. е. Na0,8+Cl0,8-.
Металлическая связь возникает в результате частичной делокализации валентных электронов, которые достаточно свободно движутся в решетке металлов, электростатически взаимодействуя с положительно заряженными ионами. Силы связи не локализованы и не направлены, а делокализированные электроны обусловливают высокую тепло- и электропроводность.
Модель 3.1 - Виды химической связи
Водородная связь. Ее образование обусловленно тем, что в результате сильного смещения электронной пары к электроотрицательному атому атом водорода, обладающий эффективным положительным зарядом, может взаимодействовать с другим электроотрицательным атомом (F, O, N, реже Cl, Br, S). Энергия такого электростатического взаимодействия составляет 20-100 кДж•моль-1. Водородные связи могут быть внутри- и межмолекулярными. Внутримолекулярная водородная связь образуется, например, в ацетилацетоне и сопровождается замыканием цикла (рис. 3.3).
Молекулы карбоновых кислот в неполярных растворителях димеризуются за счет двух межмолекулярных водородных связей (рис. 3.4).
Рисунок 3.3 - Образование внутримолекулярной водородной связи
Рисунок 3.4 - Образование межмолекулярной водородной связи
Исключительно важную роль водородная связь играет в биологических макромолекулах, таких неорганических соединениях как H2O, H2F2, NH3. За счет водородных связей вода характеризуется столь высокими по сравнению с H2Э (Э = S, Se, Te) температурами плавления и кипения. Если бы водородные связи отсутствовали, то вода плавилась бы при -100 °С, а кипела при -80 °С.
Ван-дер-ваальсова (межмолекулярная) связь - наиболее универсальный вид межмолекулярной связи, обусловлен дисперсионными силами (индуцированный диполь - индуцированный диполь), индукционным взаимодействием (постоянный диполь - индуцированный диполь) и ориентационным взаимодействием (постоянный диполь - постоянный диполь). Энергия ван-дер-ваальсовой связи меньше водородной и составляет 2-20 кДж•моль-1.
Химическая связь в твердых телах. Свойства твердых веществ определяются природой частиц, занимающих узлы кристаллической решетки и типом взаимодействия между ними.
Твердые аргон и метан образуют атомные и молекулярные кристаллы соответственно. Поскольку силы между атомами и молекулами в этих решетках относятся к типу слабых ван-дер-ваальсовых, такие вещества плавятся при довольно низких температурах. Большая часть веществ, которые при комнатной температуре находятся в жидком и газообразном состоянии, при низких температурах образуют молекулярные кристаллы.
Температуры плавления ионных кристаллов выше, чем атомных и молекулярных, поскольку электростатические силы, действующие между ионами, намного превышают слабые ван-дер-ваальсовы силы. Ионные соединения более твердые и хрупкие. Такие кристаллы образуются элементами с сильно различающимися электроотрицательностями (например, галогениды щелочных металлов). Ионные кристаллы, содержащие многоатомные ионы, имеют более низкие температуры плавления; так для NaCl tпл. = 801 °C, а для NaNO3 tпл = 306,5 °C.
Рисунок 3.5 - Кварц - кристаллическая форма оксида кремния
В ковалентных кристаллах решетка построена из атомов, соединенных ковалентной связью, поэтому эти кристаллы обладают высокими твердостью, температурой плавления и низкими тепло- и электропроводностью.
Кристаллические решетки, образуемые металлами, называются металлическими. В узлах таких решеток находятся положительные ионы металлов, в межузлиях - валентные электроны (электронный газ).
Наибольшую температуру плавления из металлов имеют d-элементы, что объясняется наличием в кристаллах этих элементов ковалентной связи, образованной неспаренными d-электронами, помимо металлической, образованнной s-электронами.
3.3 Современные представления о химической связи
Совокупность химически связанных атомов (молекула, кристалл) состоит из атомных ядер и связанных с ними электронов. Положение атомных ядер экспериментально устанавливается довольно точно. Распределение электронной плотности фиксируется менее точно, поскольку в молекуле каждый из валентных электронов может быть обнаружен в окрестности любого ядра. Тем не менее, каждому из этих валентных электронов, как и в атоме, соответствует определенный энергетический уровень, называемый молекулярной орбиталью (МО). При построении молекулярных орбиталей используется метод линейной комбинации атомных орбиталей (ЛКАО), обозначаемый аббревиатурой МО - ЛКАО.
Кроме этого подхода рассмотрим метод валентных связей (МВС), основанный на предположении, что химическая связь осуществляется одной или несколькими электронными парами, локализованными между взаимодействующими атомами.
Модель 3.2 - Связи в молекуле бензола
Периодичность атомных характеристик.
Атомный радиус. За радиус свободного атома принимают положение главного максимума плотности внешних электронных оболочек. Это так называемый орбитальный радиус. При изучении строения молекул и кристаллов атомы и ионы можно рассматривать как имеющие некий эффективный радиус, зависящий от типа химической связи. Если рассматривать только относительные величины атомных радиусов, то легко обнаружить периодичность их зависимости от номера элемента.
В периодах орбитальные атомные радиусы по мере увеличения заряда ядра Z в общем монотонно уменьшаются из-за роста степени взаимодействия внешних электронов с ядром.
В подгруппах радиусы в основном увеличиваются из-за возрастания числа электронных оболочек.
У s- и p-элементов изменение радиусов как в периодах, так и в подгруппах более ярко, чем у d- и f-элементов, поскольку d- и f-электроны внутренние. Уменьшение радиусов у d- и f-элементов в периодах называется d- и f-сжатием. Следствием f-сжатия является то, что атомные радиусы электронных аналогов d-элементов пятого и шестого периодов практически одинаковы:
Таблица 2.3
|
Zn - Hf |
Nb - Ta |
||
|
rатома, нм |
0,160 - 0,159 |
0,145 - 0,146 |
Эти элементы из-за близости их свойств называются элементами-близнецами.
Образование ионов приводит к изменению ионных радиусов по сравнению с атомными. При этом радиусы катионов всегда меньше, а радиусы анионов всегда больше соответствующих атомных радиусов. Ковалентный радиус равняется половине межатомного расстояния в молекулах или кристаллах простых веществ. Ионные радиусы элементов представлены в табл. 2.4.
Энергией ионизации атома I называется количество энергии, необходимое для отрыва электрона от невозбужденного атома или иона.
Энергия ионизации I выражается в кДж•моль-1 или эВ•атом-1. Значение I в электронвольтах численно равно потенциалу ионизации, выраженному в вольтах, поскольку E = e-·I.
Э+ - e- = Э+, ДH = I1 - первый потенциал ионизации; Э - e- = Э2+, ДH = I2 - второй потенциал ионизации и т.д. I1 < I2 < I3 < I4...
Энергия ионизации определяет характер и прочность химической связи и восстановительные свойства элементов.
Таблица 2.5 - Потенциалы (энергии) ионизации I1.
|
Элемент |
I1, эВ |
Элемент |
I1, эВ |
|
|
H |
13,6 |
Na |
5,1 |
|
|
He |
24,6 |
Mg |
7,6 |
|
|
Li |
5,4 |
Al |
6,0 |
|
|
Be |
9,3 |
Si |
8,1 |
|
|
H |
13,6 |
Na |
5,1 |
|
|
He |
24,6 |
Mg |
7,6 |
|
|
Li |
5,4 |
Al |
6,0 |
|
|
Be |
9,3 |
Si |
8,1 |
|
|
B |
8,3 |
P |
10,5 |
|
|
C |
11,3 |
S |
10,4 |
|
|
N |
14,5 |
Cl |
13,0 |
|
|
O |
13,6 |
Ar |
15,8 |
|
|
F |
17,4 |
K |
4,3 |
|
|
Ne |
21,6 |
Ca |
6,1 |
Энергия ионизации изменяется периодически по мере заполнения электронами оболочек атомов (рис. 2.4).
Рисунок 2.4 - Потенциалы ионизации нейтральных атомов.
I1 максимален у элементов с полностью заполненными валентными оболочками (у благородных газов), при переходе к следующему периоду I1 резко понижается - он минимален у щелочных металлов.
Энергия связи электрона с ядром пропорциональна Z и обратно пропорциональна среднему (орбитальному) радиусу оболочки. Атомные радиусы d- и f-элементов с ростом Z в периоде уменьшается незначительно по сравнению с s- и p-элементами, поэтому их потенциалы ионизации растут также незначительно.
В главных подгруппах потенциалы ионизации с ростом Z уменьшаются вследствие увеличения числа электронных подоболочек и экранирования заряда ядра электронами внутренних подоболочек.
В побочных подгруппах d-электроны экранируются не только электронами заполненных оболочек, но и внешними s-электронами. Поэтому потенциал ионизации d-элементов с ростом Z в подгруппе увеличивается, хотя и незначительно.
Чем меньше потенциал ионизации, тем легче атом отдает электрон. Поэтому восстановительная способность нейтральных атомов с ростом Z в периоде уменьшается, в главных подгруппах растет, а в побочных - падает.
Энергия сродства к электрону. Другой важной в химии характеристикой атома является энергия сродства к электрону - энергия, выделяющаяся при присоединении электрона к нейтральному атому. Чем больше электронное сродство, тем более сильным окислителем является данный элемент. Экспериментальное определение энергии сродства к электрону E значительно сложнее, чем определение энергии ионизации. Величины E (в эВ) для некоторых атомов приведены ниже:
Таблица 2.6 - Значение энергии сродства к электрону E для некоторых атомов
|
H |
He |
Li |
Be |
B |
C |
N |
O |
F |
Ne |
||
|
E, эВ |
0,75 |
-0,22 |
0,8 |
-0,19 |
0,30 |
1,27 |
-0,21 |
1,47 |
3,45 |
-0,57 |
Немонотонность изменения сродства к электрону в периоде также обусловлена сравнительной устойчивостью полностью и наполовину заполненных подоболочек. Самый сильный из всех элементарных окислителей - фтор (он обладает и самым малым атомным радиусом из всех элементов VII группы).
Отметим, что в отличие от ионизации присоединение двух и более электронов энергетически затруднено, и многозарядные одноатомные отрицательные ионы в свободном состоянии не существуют.
Окислительной способностью не обладают нейтральные атомы с устойчивыми конфигурациями s2 и s2p6 и переходные элементы. У остальных элементов в таблице Менделееваокислительная способность нейтральных атомов повышается слева направо и снизу вверх.
В периодах электроотрицательность растет, а в группах уменьшается с ростом Z, то есть растет от Cs к F по диагонали периодической системы. Это обстоятельство до некоторой степени определяет диагональное сходство элементов.
В главных и побочных подгруппах свойства элементов меняются немонотонно, что обусловлено так называемой вторичной периодичностью, связанной с влиянием d- и f-электронных слоев.
Из анализа периодичности геометрических и энергетических параметров атомов следует, что периодическим законом можно пользоваться для определения физико-химических констант, предсказывать изменение радиусов, энергий ионизации и сродства к электрону, и, следовательно, кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства их соединений.
Подобные документы
Особенности валентности - образования у атомов определенного числа химических связей. Основные типы химической связи: ионная, ковалентная, водородная, металлическая. Виды кристаллов по типу химической связи: ионные, атомные, металлические, молекулярные.
курсовая работа [241,7 K], добавлен 19.10.2013Характеристика ковалентной связи: насыщаемость, направленность, полярность. Гибридизация атомных орбиталей. Ионная, молекулярная, водородная и металлическая химические связи. Вандерваальсовы силы, межмолекулярное взаимодействие; кристаллические решетки.
презентация [1,1 M], добавлен 22.04.2013Типы химической связи: ковалентная, ионная и металлическая. Донорно-акцепторный механизм образования и характеристики ковалентной связи. Валентность и степень окисления элементов. Молекулы химических соединений. Размеры и масса атомов и молекул.
контрольная работа [45,3 K], добавлен 16.11.2010Основные условия образования химической связи. Потенциал ионизации. Ковалентная связь. Перекрывание атомных орбиталей. Процесс смещения электронной пары к наиболее электроотрицательному атому. Координационная связь. Межмолекулярное взаимодействие.
курс лекций [811,3 K], добавлен 18.03.2009Характеристика ковалентной связи, понятия насыщаемости, направленности и полярности. Гибридизация атомных орбиталей и ионная связь. Межмолекулярные химические связи (вандерваальсовы силы). Типы кристаллических решеток. Молекулярная структура льда.
презентация [1,1 M], добавлен 11.08.2013Основные приближения метода потенциалов. Ковалентная связь как вид химической связи, характеризуемый увеличением электронной плотности. Свойства и структура ковалентных кристаллов. Особенности двух- и многоатомных молекул. Оценка энергии связи в металлах.
презентация [297,1 K], добавлен 22.10.2013Понятие химической связи как взаимодействия между атомами, приводящее к образованию устойчивой системы, ее энергия и причины возникновения; относительный характер классификации. Знакомство с способами образования ковалентной, ионной и водородной связи.
презентация [1,3 M], добавлен 27.01.2014Правило октета, структуры Льюиса. Особенности геометрии молекул. Адиабатическое приближение, электронные состояния молекул. Анализ метода валентных связей, гибридизация. Метод молекулярных орбиталей. Характеристики химической связи: длина и энергия.
лекция [705,2 K], добавлен 18.10.2013Общая характеристика углерода как химического элемента, его основные свойства, особенности строения. Типы химических связей: ковалентная, ионная и водородная. Способы разрыва химической связи. Электронные эффекты. Кислоты и основания, их сравнение.
контрольная работа [180,4 K], добавлен 05.08.2013Основные характеристики атомов, расчет их радиуса и энергетических показателей. Энергия ионизации или ионизационный потенциал. Сродство атома к электрону. Электроотрицательность и шкала Полинга. Принципы разделения элементов на металлы и неметаллы.
презентация [981,5 K], добавлен 22.04.2013
