Лекция по курсу "Химия" на тему: "Химическая связь и строение молекул"

доц. Гарибян Ирина Ивановна

Лекция  3

Тема:  «ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ»

План:

1.	Теория химического строения А.М.Бутлерова
2.	Общее представление  о химической связи
3.	Типы химической связи:  ионная, ковалентная, металлическая, межмолекулярное взаимодействие, электростатическое взаимодействие молекул (ориентационное, индукционное, дисперсионное), донорно- акцепторное  взаимодействие молекул,         водородная связь

Крупным шагом в развитии представлений о строении молекул явилась теория химического строения, выдвинутая в 1861 г. выдающимся химиком А.М.Бутлеровым.

Основные положения:

1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определённой последовательности.  Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами.

2. Соединение атомов происходит в соответствии с их валентностью.

3. Свойства веществ зависят не только от того, какие атомы и в каком количестве они входят в состав молекулы, но и от их химического строения, т.е. от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния.

         Из теории Бутлерова вытекает возможность изображать строение молекул в виде структурных формул, в которых указана последовательность соединения атомов друг с другом, а каждая чёрточка, соединяющая атомы, обозначает валентности. 

          Например,

            НCl                                  CO₂                                                         A₂O₃

          Н - Cl                         O = C = O                     O = Al – O – Al = O

     соляная кислота        оксид углерода (IV)               оксид алюминия

    H₂SO₄                                                       H₃PO₄

                               

серная кислота          ортофосфорная    кислота

         Учение о химической связи – центральная проблема современной химии. Без знания природы  взаимодействия атомов в веществе нельзя понять причины многообразия химических соединений, представить механизм их образования, их состав, строение и реакционную способность.

         ● Химическая связь – взаимодействие атомов, приводящее к образованию молекул, ионов, радикалов, кристаллов.

Чем прочнее химическая связь, тем больше энергии нужно затратить для её разрыва.

В зависимости от характера распределения валентных электронов в веществе основными типами химических связей, отличающихся друг от друга электронным строением и механизмом взаимодействия связываемых атомов, являются ковалентная  и  ионная связи.  Тип связи в значительной степени определяется разностью электроотрицательностей элементов, участвующих в ее образовании: 

∆ЭО = ЭО(A) – ЭО (B),

где ЭО(A)  и ЭО(B)  - электроотрицательности атомов А и В.

Основные типы химических связей:

● Ионная связь - образуется при взаимодействии атомов    элементов, электроотрицательность которых резко  отличается.

         При этом происходит переход электронов от атома с меньшей электроотрицательностью к атомам с большей электроотрицательностью. Ионная связь образуется между атомами, имеющими  разность ∆ЭО > 1,7;

         В качестве примера рассмотрим схему образования молекулы фторида натрия. Атомы натрия и фтора, из которых образовалось это соединение, резко отличаются по электроотрицательности: для атома натрия она равна 0,9, для атома фтора она равна 4,0, её разность равна: 

          ΔЭО = 4,0 (F) - 0,9 (Na) = 3,1

Как видно из электронных формул:

₊₁₁Na   1s²2s²2p⁶3s¹                       _+9F         1s²2s²2p⁵

         атомы этих элементов с незавершёнными внешними энергетическими уровнями.

                                        +  -

     Na⁰   +  F⁰  ®  NaF                )  ) )    +    )  )

 атом      атом     молекула       2  8  1       2  7

         Последний электрон в атоме натрия связан не очень сильно. С другой стороны, атом фтора имеет на последнем слое семь электронов и до завершения внешнего слоя ему легче присоединить один электрон. Действительно, если атом натрия и атом фтора близко подходят друг к другу, то последний электрон натрия может перейти к атому фтора, в результате чего образуется молекула фторида натрия, состоящая из положительного иона натрия и отрицательного иона фтора, испытывающих притяжение друг к другу.

                            

         Атомы, которые полностью отдают свои валентные электроны, превращаются в положительно заряженные ионы - катионы, а которые приобретают – в отрицательно заряженные ионы - анионы. Отсюда вытекает, что ионная связь осуществляется в результате  электростатического взаимодействия противоположно заряженных ионов.

Ионные соединения образуют атомы элементов главных подгрупп I и II групп с элементами главных подгрупп VI, VII групп, т.е. она характерна между атомами металлов и неметаллов, при этом электроны перемещаются из внешнего слоя металлов во внешний слой неметаллов. Например, CsF, NaBr, K₂O, Li₃N, BaCI₂ .

         • Химическая связь, образованная  за счёт общей электронной  пары двух атомов, называется ковалентной  связью.

Электроны образуют пары при условии, если они имеют противоположные спины. Спаривание электронов с противоположными спинами связано с тем, что в пространство, занимаемое «облаком» одного электрона, проникает «облако» другого электрона. В результате перекрывания в пространстве между ядрами соединяющихся атомов возникает область повышенной электронной плотности, а это приводит к сближению ядер и установлению связи между атомами.

         Различают  две разновидности  ковалентной связи:

         а) в случае неполярной  ковалентной связи электронное облако, образованное общей электронной парой электронов, распределяется в пространстве симметрично относительно ядер обоих атомов. ЭО обоих атомов практически одинакова (0,4 >ΔЭО = 0).

Пример: двухатомные молекулы – Н₂ (H - H), СI₂ (Cl - Cl), O₂, N₂.

                               Н₂                                    Cl₂                                           

     В данном случае ковалентная связь между атомами образуется при перекрывании атомных орбиталей, например 1s-орбиталей при образовании связи H−H, 2p-орбиталей при образовании связи  Cl− Cl.

         б) в случае полярной ковалентной связи – электронное облако связи смещено в сторону более электроотрицательного атома.

Например, образование молекулы хлороводорода HCI можно представить  схемой:

                           H                    Cl

                              

              Здесь ковалентная связь  образуется при перекрывании атомных орбиталей:  1s-орбитали атома H и 3p-орбитали атома Cl. Общая электронная пара смещена в сторону  атома  хлора.

         Химическая связь тем полярнее и прочнее, чем больше различие в значениях по абсолютной величине относительных электроотрицательностей атомов, между которыми она образована..

         В металлах связь  металлическая.

С точки зрения строения атома, большинство металлов характеризуются небольшим числом электронов на внешнем энергетическом уровне, т.е. число вакантных орбиталей в  них значительно больше числа вакантных электронов. Все металлы в твёрдом состоянии имеют металлическую кристаллическую решётку. При её образовании атомы начинают перекрываться. Валентный электрон может при этом относительно свободно перемещаться с орбитали своего атома на свободную, и близкую по энергии, орбиталь соседних атомов. Потеряв электрон, исходный атом превращается в катион.

Связь в металлах и сплавах, обусловленная взаимодействием относительно свободных электронов с катионами в узлах кристаллической решётки, называют металлической

         Металлическая связь характерна для металлов, как в твёрдом (AI), так и в жидком состоянии (Hg). Особый тип связи в металлах и сплавах определяет все их общие физические свойства: электропроводность, теплопроводность, пластичность, металлический блеск. Все металлы являются электрическими проводниками первого рода, т.е. обладают электронной проводимостью. Их электропроводность с увеличением температуры уменьшается, так как в результате тепловых колебаний атомов в узлах кристаллической решетки сопротивление направленному движению электронов возрастает.

Металлы обладают пластичностью, т.е. способны без разрушения изменять свою форму под действием силы. Многие из них имеют высокие температуры плавления и кипения.

         ● Водородная связь возникает между атомом водорода и сильно электроотрицательными элементами (например, фтором, кислородом или азотом) другой молекулы  (Н₂О, НF).

Водородные связи характерны для таких веществ, как вода H₂O, аммиак NH₃, фтороводород HF. В качестве примера рассмотрим образование водородной связи между двумя молекулами воды. Связи О—Н в Н₂О имеют заметный полярный характер с избытком отрицательного заряда δ^-  - на атоме кислорода. Атом водорода, наоборот, приобретает небольшой положительный заряд δ⁺ и может взаимодействовать с неподелёнными парами электронов атома кислорода соседней молекулы воды. Схематически водородную связь обозначают точками.

Атом водорода, связанный с сильно электроотрицательным элементом (азотом, кислородом, фтором и др.), испытывает недостаток электронов и поэтому способен взаимодействовать с неподелённой парой электронов другого электроотрицательного атома этой же или другой молекулы. Или, например,  молекула HF:

         Это примеры образования межмолекулярных водородных связей. Водородные связи малоустойчивы и разрываются довольно легко, их наличием объясняются более высокие температура кипения и температура плавления веществ (в HF, H₂O и NH₃ есть водородная связь, а в HCI и H₂S её нет). Водородная связь характерна для многих органических соединений (фенолов, карбоновых кислот, белков, нуклеиновых кислот и др.).

         Донорно – акцепторное взаимодействие молекул. Если одна из молекул имеет неподелённые пары электронов (донор), а другая – свободные орбитали (акцептор), то между ними возможно донорно – акцепторное взаимодействие.

         Рассмотрим образование химической связи по донорно – акцепторному механизму при взаимодействии  молекулы аммиака с ионом водорода  молекулы  хлороводорода.         Так, аммиак, соединяясь с хлороводородом, образует хлорид аммония:  NH₃ + HCI = NH₄CI

Атом азота имеет  на внешнем энергетическом уровне  пять электронов 2s²2p³ ,  два спаренных и  три  неспаренных электрона:

                                       2s²                    2p³ 

      

                                     ₇N    ­¯        ­     ­     ­

         Из электронной структуры молекулы аммиака видно, что у атома азота остаётся одна пара электронов (2s²), не участвующая в образовании химической связи. Это так называемая неподелённая пара электронов. За счёт этой пары появляется возможность образования новой химической связи между атомом азота в молекуле аммиака и иона водорода, у которого 1s- орбиталь свободна. Схема образхования иона аммония NH₄⁺

Атом азота молекулы аммиака является донором, а ион водорода – акцептором.

         Этот тип связи имеет место в комплексных соединениях.

                    Контрольные вопросы:

1.	Что такое ионы? Какая химическая связь называется ионной?
2.	Между атомами каких элементов возникает ионная  связь? Приведите примеры соединений.
3.	Что такое ковалентная связь, на какие виды она подразделяется?  Приведите примеры соединений.
4.	Какая связь называется водородной? Приведите примеры соединений
5.	В каком соединении больше выражена полярность связи: СН4, NH3, H2O,   HF?
6.	Дайте определение донорно–акцепторной химической связи. Примеры соединений