ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2019
Просмотров: 1916
Скачиваний: 2
Вопрос №15. Химическая связь. Виды химической связи. Энергетические и
геометрические характеристики связи.
Химическая связь возникает благодаря взаимодействию электрических полей,
создаваемых электронами и ядрами атомов, участвующих в образовании молекулы
или кристалла. В зависимости от типов атомов, образующих химическую связь,
выделяют и типы химической связи: ковалентную, ионную, металлическую и др.
Состояние молекулы находится в более энерговыгодном состоянии. Образование
химической связи – экзотермический процесс.
1. Метод валентных связей: образование химической связи между атомами является
результатом перекрывания электронных облаков, происходящего при сближении
взаимодействующих атомов. Вследствие такого взаимопроникновения плотность
отрицательного электрического заряда в межъядерном пространстве возрастает.
Положительно заряженные ядра атомов притягиваются к области перекрывания
электронных облаков. Это притяжение преобладает над взаимным отталкиванием
одноименно заряженных электронов, так что в результате образуется устойчивая
молекула. Спины электронов должны быть противоположно направленными.
Ковалентная связь образуется двумя электронами с противоположно
направленными спинами, причем эта электронная пара принадлежит двум атомам.
Ковалентная связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются
электронные облака. Валентность элемента – мера способности его атомов
соединяться с другими атомами в определенных соотношениях.
Свойства связи: насыщаемость – способность атома образовывать ограниченное
число ковалентных связей. Количество связей ограничено числом его внешних
атомных орбиталей. Направленность связи обусловлена молекулярным строением
вещества и геометрической формы их молекулы. Углы между двумя связями
называют валентными. Полярность обусловлена неравномерным распределением
электронной плотности вследствие различий в электроотрицательностях атомов.
По этому признаку ковалентные связи подразделяются на неполярные (молекула
состоит из одинаковых атомов) и полярные (разные атомы, поэтому происходит
смещение общего электронного облака в сторону более электроотрицательного
атома, порождая дипольный момент).
Механизм образования связи: обменный (наличие 2 электронов и 2 орбиталей) и
донорно-акцепторный (вакантная орбиталь и неподеленная электронная пара).
Теория гибридизации: если в образовании связей принимают участие электроны
разных подуровней (разные по форме), то происходит их объединение
(гибридизация), и из разных по форме электронных облаков образуется точно
такое же количество, но одинаковых по форме.
+ метода ВС: наглядность;
- метода ВС: сложная математика, с трудом описывает системы с нечетным
числом электронов, не позволяет прогнозировать магнитные свойства, метод
оторван от реального эксперимента.
Предельным случаем ковалентной полярной является ионная связь. Ионная связь
в чистом виде не существует, так как в любой химической связи всегда имеется та
или иная доля ковалентного характера. Связь такого типа упрощенно считается
осуществляемой в результате взаимодействия электростатического притяжения
противоположно заряженных ионов. Дипольный момент ковалентной полярной
связи 0-4 Кл*м, ионной 4-11 Кл*м.
Предполагается, что при образовании ионной связи атомы стремятся отдать или
приобрести столько электронов, чтобы строение их внешнего электронного уровня
оказалось аналогичным строению устойчивого внешнего уровня ближайшего по
расположению благородного газа.
Ионная связь не обладает насыщаемостью и направленностью. Достаточно прочна,
соединения имеют достаточно высокую температуру плавления. Низкая
электропроводность в твердом состоянии.
Металлическая связь – химическая связь, которая обусловлена взаимодействием
положительных ионов металлов, составляющих кристаллическую решетку, с
электронным газом из валентных электронов. В узлах кристаллической решетки
расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно
молекулам газа, движутся валентные электроны, удерживающие вместе
положительные ионы. В большинстве случаев проявляются высокие
координационные числа (например, 8 или 12). Так, щелочные металлы
кристаллизуются в кубической объемно-центрированной решетке. Катионы
металлов не статичны, а колеблются, при повышении температуры возникают
столкновения, уменьшающие электропроводность.
Водородная связь: катион водорода осуществляет дополнительную связь с
наиболее электроотрицательными элементами (фтор, кислород, азот). Радиация
рвет эти связи.
Вопрос №16. Природа химической связи. Энергетические эффекты в процессе
образования химической связи.
Химическая связь возникает благодаря взаимодействию электрических полей,
создаваемых электронами и ядрами атомов, участвующих в образовании молекулы
или кристалла. Независимо от типа химической связи причина ее образования
одна. Химическая связь образуется, если электроны взаимодействующих атомов
получают возможность двигаться одновременно вблизи положительных зарядов
нескольких ядер. Из методов квантовой химии наиболее известны 2 подхода к
расчету молекулярных систем: метод ВС и метод МО. Метод ВС основан на
предположении, что химическая связь обеспечивается двумя электронами,
движущимися в ограниченном участке электростатического поля двух ядер. Метод
МО представляет собой естественное распространение модели атома, как системы
из ядра и электронных оболочек, на случай молекулы. В атоме электроны
двигаются в центральном поле единственного положительно заряженного ядра. В
молекуле же электроны двигаются в многоцентровом поле положительно
заряженных ядер. Хотя в предельном случае по мере усовершенствования методы
ВС и МО дают одинаковые результаты, применение метода ВС сопровождается
большими математическими и вычислительными трудностями. В более простых
своих вариантах, удобных для повседневного применения, метод ВС иногда дает
даже качественно неверные результаты. Метод МО точнее и правильнее
описывает свойства многих систем, для которых метод ВС оказывается
неприемлемым.
Образование химической связи сопровождается понижением энергии системы,
причем избыток энергии выделяется в виде теплоты. Чем прочнее химическая
связь, тем больше энергии нужно затратить для ее разрыва, поэтому энергия
разрыва связи служит мерой ее прочности. Энергия разрыва связи всегда
положительна: в противном случае химическая связь самопроизвольно
разрывалась бы с выделением тепла. При образовании химической связи энергия
всегда выделяется за счет уменьшения потенциальной энергии системы
взаимодействующих электронов и ядер.
Вопрос №17. Основные положения метода ВС. Обменный и донорно-
акцепторный механизмы образования ковалентной связи.
См. Вопрос №15.
Вопрос №18. Валентные возможности атомов элементов в основном и в
возбужденном состоянии.
Валентность – способность атомов химических элементов образовывать
определенное число ковалентных связей с атомами других элементов.
Определяется числом неспаренных электронов, участвующих в образовании общих
электронных пар с электронами других атомов.
Первоначально за единицу валентности была принята валентность атома
водорода. Валентность другого элемента можно выразить числом атомов
водорода, которое присоединяет к себе или замещает один атом этого элемента.
Определенная таким образом валентность называется валентностью по водороду.
Валентность кислорода, как правило, равна 2. Потому зная состав или формулу
кислородного соединения, можно определить его валентность, как удвоенное
число атомов кислорода, которое может присоединить к себе один атом данного
элемента (валентность по кислороду). У большинства элементов валентности в
водородных и кислородных соединениях различны.
Вопрос №19. Описать метод ВС и сравнить связи в следующих молекулах и
ионах: N
2
, F
2
, CO, [Zn(NH
3
)
4
]
2+
, [BF
4
]
-
.
Cм. Вопрос №15.
См. тетрадь.
Вопрос №20. Насыщаемость ковалентной связи. Понятие валентности.
Насыщаемость – способность атомов образовывать ограниченное число
ковалентных связей. Количество связей ограничено числом его внешних атомных
орбиталей.
См. вопрос №18.
Вопрос №21. Полярность ковалентной связи. Теория гибридизации. Виды
гибридизации. Примеры.
Ковалентная полярная связь – связь между атомами с различной
электроотрицательностью и несимметричным распределением общей электронной
пары. Электронная плотность такой связи смещена в сторону более
электроотрицательного атома, что приводит к появлению на нем частичного
отрицательного заряда, а на менее электроотрицательном – частичного
положительного заряда.
Теория гибридизации: если в образовании связей принимают участие электроны
разных подуровней (разные по форме), то происходит их объединение
(гибридизация) и из разных по форме электронных облаков образуется точно
такое же количество, но одинаковых по форме.
Представления о гибридизации занимают центральное место в методе ВС. Сама
гибридизация не является реальным физическим процессом, а только удобной
моделью, позволяющей объяснить электронное строение молекул, в частности,
выравнивание длин химических связей и валентных углов в молекуле.
s+p=sp (BeH
2
) – две орбитали, расположенные линейно под углом 180 градусов и
направленные в разные стороны от ядра центрального атома.
s+2p=sp
2
(BH
3
) – три орбитали с осями, расположенными в одной плоскости и
направленными к вершинам треугольника под углом 120 градусов.
s+3p=sp
3
(CH
4
) – 4 орбитали, оси которых направлены к вершинам правильного
тетраэдра. Угол между любыми двумя осями равен 109 гр 28 мин, что
соответствует наименьшей энергии отталкивания электронов.
sp
3
d (PF
5
) – гексаэдр.
sp
3
d
2
(SF
6
) – октаэдр.
Вопрос №22. Полярность ковалентной связи. Дипольный момент.
Ковалентная полярная связь – связь между атомами с различной
электроотрицательностью и несимметричным распределением общей электронной
пары. Электронная плотность такой связи смещена в сторону более
электроотрицательного атома, что приводит к появлению на нем частичного
отрицательного заряда, а на менее электроотрицательном – частичного
положительного заряда. Полярную молекулу можно рассматривать как систему из
двух равных по абсолютной величине, но противоположных по знаку зарядов,
расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Такие системы
называются электрическими диполями. Хотя суммарный заряд диполя равен нулю,
в окружающем его пространстве образуется электрическое поле. Дипольный
момент – векторная величина, прямо пропорциональная эффективному заряду и
длине диполя. Дипольный момент ковалентной полярной связи - 0-4 Дебай. Если
дипольный момент от 4 до 11, то это уже считается ионной связью.
Вопрос №23. Достоинства и недостатки метода ВС.
Метод ВС основан на предположении, что химическая связь обеспечивается двумя
электронами, движущимися в ограниченном участке электростатического поля
двух ядер. В основе метода лежат предположения:
1. Ковалентная связь образуется двумя электронами с противоположно
направленными спинами, причем эта электронная пара принадлежит 2 атомам.
2. Ковалентная связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются
взаимодействующие электронные облака.
+ простота и наглядность
- большие математические и вычислительные трудности, с трудом описывает
системы с нечетным количеством электронов, не позволяет прогнозировать
магнитные свойства, метод оторван от реального эксперимента.
Вопрос №24. Метод молекулярных орбиталей. Основные понятия.
Метод МО представляет собой естественное распространение модели атома, как
системы из ядра и электронных оболочек, на случай молекулы. В атоме электроны
двигаются в центральном поле единственного положительно заряженного ядра. В
молекуле же электроны двигаются в многоцентровом поле положительно
заряженных ядер и описываются своими функциями, которые подобно атомным
функциям – АО, называются молекулярными орбиталями. Количество МО равно
суммарному количеству АО.
Различают связывающие и разрыхляющие молекулярные орбитали. В связывающей
молекулярной орбитали электронная плотность концентрируется между ядрами,
образуются в результате перекрывания атомных орбиталей двух атомов. В
разрыхляющей МО электронная плотность концентрируется за ядрами, а между
ними равна нулю. Переход электронов на связывающую МО, приводящих к
образованию химической связи, сопровождается выделением энергии, тогда как
переход на разрыхляющую МО требует затрат энергии. Следовательно, энергия
электронов на связывающих орбиталях меньше, а на разрыхляющих выше, чем на
атомных. Соответственно, в первую очередь электроны будут занимать орбитали с
наименьшими энергиями, т.е. связывающие.
МО, энергия которой равна энергии исходной АО, называется несвязывающей.
Электроны, находясь на таких МО, не обеспечивают ни связывания, ни
отталкивания взаимодействующих атомов. Несвязывающие МО часто образуются
при взаимодействии нечетного количества АО.
В методе ВС кратность связи определяется числом общих электронных пар.
Аналогично этому, в методе МО для характеристики электронной плотности,
ответственной за связывание атомов в молекулу вводится величина – порядок
связи, который, в отличие от кратности связи, может принимать нецелочисленные
значения. Порядок связи в двухатомных молекулах принято определять по числу
связывающих электронов, участвующих в ее образовании. При этом разрыхляющие
электроны компенсируют действие соответствующего числа связывающих
электронов. K=(∑e св - ∑ e разр)/2n (n – число связей).