Химическая связь

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Химическая связь

Химическая связь - это совокупность взаимодействий между электронами и ядрами, приводящая к соединению атомов в молекулу.

Электроны в атоме ведут себя как волны, и их движение описывается с помощью волновой функции:

? = f(x,y,z)

Уравнение Шредингера - математическая модель электрона в атоме. Оно определяет волновые функции ? и энергетические уровни электронов. Электронная плотность в данной точке пространства определяется величиной |?2 и всегда положительна.

Атомная орбиталь (АО) - это область пространства, где вероятность нахождения электрона максимальна (95%).

Квантовые числа характеризуют энергетическое состояние электрона в атоме. Строение электронных оболочек описывается с помощью квантовых чисел с учетом принципа Паули, правила Гунда и принципа минимума энергии.

Формы орбиталей:

При сближении атомов происходит перекрывание АО и образование молекулярных орбиталей (МО).

Локализованная связь - это связь, оба электрона которой находятся между связанными атомами.

Ковалентная связь - это связь, образованная обобществлением электронов связывающихся атомов (по 1 электрону от каждого).

?-связь - образуется осевым перекрыванием s-s-, s-p- или p-p-орбиталей:

?-связь - образуется боковым перекрыванием p-орбиталей:

ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ АТОМА УГЛЕРОДА

Атом углерода во внешней электронной оболочке имеет 4 атомных орбитали:

При образовании связей происходит т.н. гибридизация атомных орбиталей: несколько близких по энергии орбиталей как бы усредняются, образуя такое же количество орбиталей равных по энергии и отличающихся геометрической направленностью. Гибридные орбитали обеспечивают более полное перекрывание при образовании связей, и это делает гибридизацию энергетически выгодной.

У атома углерода различаются три типа гибридизации:

· sp3 гибридизация, в ней участвует s-орбиталь и три р-орбитали;

· sp2 гибридизация: s-орбиталь и две р-орбитали;

· sp гибридизация: s-орбиталь и одна р-орбиталь.

ПРОСТЫЕ И КРАТНЫЕ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫЕ СВЯЗИ

атом валентный углерод водородный

Простая (ординарная) ?-связь образуется путем осевого перекрывания гибридных орбиталей. Молекула этана имеет трехмерную (тригональную) геометрическую структуру:

Двойная связь образуется между двумя sp2-гибридизованными атомами и состоит из ?-связи, образованной осевым перекрыванием гибридных орбиталей, и ?-связи, образованной боковым перекрыванием негибридизованных р-орбиталей. Молекула этилена имеет дигональную (планарную) геометрическую структуру - все ?-связи расположены в одной плоскости:

Тройная связь образуется между двумя sp-гибридизованными атомами и состоит из ?-связи и двух ?-связей, причем плоскости ?-связей перпендикулярны друг другу. Молекула ацетилена имеет линейную геометрическую структуру (все ?-связи находятся на одной прямой):

Длины связей уменьшаются в следующей последовательности:

ординарная > двойная > тройная

МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫ

Метод МО ЛКАО (Хюккель)

? = С1?1 + С2 ?2 + С3?3 + ... + Сn?n

? - молекулярная орбиталь

?n - атомные орбитали

Этот метод применяется для расчетов энергетических параметров молекул и ?-зарядов на атомах.

Метод валентных схем

Применяется для описания структур, которые не могут быть однозначно описаны одной структурой. В основе метода лежит концепция мезомерии (К.Ингольд, 1922 г.) и теория резонанса валентных структур (Л.Полинг,1928 г.).

Примеры:

Донорно-акцепторная (координационная) связь - это ковалентная связь, образованная за счет пары электронов одного атома:

Координационные связи в комплексных соединениях:

комплексообразователь - лиганд

Донорами могут быть соединения с развитой системой ?-электронов:

Характеристики ковалентной связи

Длина связи - расстояние (в нм) между центрами связанных атомов, определяется методом рентгено-структурного анализа (РСА).

Ковалентный радиус атома - равен ? длины ковалентной связи между одинаковыми атомами.

Ван-дер-ваальсов радиус - равен ? расстояния между максимально сближенными атомами. Всегда больше ковалентного радиуса.

Валентные углы - углы между осями орбиталей (см. геометрическую конфигурацию атомных орбиталей С-атома с различной гибридизацией).

Энергия связи (кДж/моль) - энергия, которую нужно затратить для разрыва связи. Равна энергии образования связи. Является мерой прочности связи.

Может быть косвенно определена по энергии сгорания вещества.

Энергия связи уменьшается с увеличением её длины.

Кратные связи короче и прочнее ординарных, но не пропорционально; т.е.

?-связь прочнее ?-связи.

Энергия связи между одними и теми же атомами зависит от структурных особенностей, например, она уменьшается в ряду:

Полярность связи - смещение пары электронов, образующих связь, в сторону более электроотрицательного атома.

Электроотрицательность - способность атома притягивать электроны.

Электроотрицательность атомов (по Полингу):

Электроотрицательность углерода:

Дипольный момент - мера полярности связи:

? = q·l

q - заряды на атомах (абсолютная величина)

l - длина связи

Для многоатомных молекул ? определяется как векторная сумма дипольных моментов всех связей.

Молекулы, содержащие высокополярные связи могут быть в целом неполярны: СО2, CCl4.

Поляризуемость связи - способность к динамическому смещению электронов под действием электромагнитного поля (воздействие приближающейся активной частицы или молекул растворителя). Определяет реакционную способность связи в значительной степени.

Поляризуемость увеличивается с увеличением длины связи, например:

С-O (1) C--S

у (1) стационарный диполь больше, чем у (2), но в динамических условиях реакции легко поляризуемая (2) более реакционноспособна.

Поляризуемость ?-связи значительно больше, чем ?-связи.

Водородные связи и другие слабые взаимодействия

Водородные связи.

Связи Х-Н преимущественно сильно полярны, поэтому протон слабо экранирован и взаимодействует с электронами другого атома:

Такие переходы из-за малого энергетического барьера осуществляются легко (подвижность протона).

Энергия Н-связей составляет 10-20 кДж/моль, поэтому при нагревании они разрываются.

Роль водородных связей в физических свойствах ОН-содержащих соединений: вода, спирты, карбоновые кислоты. Гидратация полярных соединений и ионов в водных растворах.

Роль водородных связей в формировании вторичной и третичной структур биополимеров: белков, полисахаридов, НК.

Диполь-дипольное взаимодействие

полярные молекулы могут ассоциироваться так:

сила взаимодействия пропорциональна 3-й степени расстояния.

Повышают т.кип. и т.пл. вещества.

Дисперсионное взаимодействие

Неполярные молекулы при тесном сближении взаимодействуют, индуцируя осциллирующие диполи, которые притягиваются друг к другу.

Сила такого взаимодействия пропорциональна 6-й степени расстояния и максимальна на расстоянии ван-дер-ваальсовых радиусов, а также увеличивается при увеличении размера молекулы (длины цепи).

Так происходит ассоциация гидрофобных фрагментов белковых цепей, принимающая участие в формировании вторичной и третичной структур белка. Такое взаимодействие играет большую роль в образовании комплекса лекарственного вещества с рецептором.

ЛИТЕРАТУРА

Основная

1. Белобородов В.Л., Зурабян С.Э., Лузин А.П., Тюкавкина Н.А. - Органическая химия (основной курс) - ДРОФА, М., 2003 г., с. 39 - 55.

Дополнительная

1.Н.А.Тюкавкина, Ю.И.Бауков - Биоорганическая химия - ДРОФА, М., 2007 г., с. 24-36.

Размещено на Allbest.ur