Химическая связь. 
Методические указания и контрольные задания по химии

Выделяют три типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Ковалентная связь — химическая связь, осуществляемая общими электронными парами. В соответствии с методом валентных связей (ВС) ковалентная связь между двумя атомами осуществляется общей для этих атомов парой электронов с противоположными спинами. В момент образования связи атомные орбитали перекрываются, что приводит к увеличению электронной плотности между ядрами взаимодействующих атомов и к взаимному притяжению ядер к области повышенной электронной плотности. В результате этого происходит выделение энергии и потенциальная энергия системы уменьшается.

Общая для двух атомов электронная пара может образовываться по двум механизмам: обменному или донорно-акцепторному.

При обменном механизме два связываемых атома (А и В) предоставляют для образования связи по одному неспаренному электрону, как бы обмениваясь ими:

А + В > А ВА Донорно-акцепторный механизм образования связи заключается в том, что один атом, А (донор) на образование связи предоставляет пару электронов, а другой атом В (акцептор) — вакантную атомную орбиталь.

Различают две разновидности ковалентной связи: неполярную и полярную.

Ковалентная неполярная связь — это связь, при которой область повышенной электронной плотности расположена симметрично относительно ядер обоих атомов. Такая связь образуется между атомами с одинаковой электроотрицательностью (ЭО), например, в молекулах Cl2, O2, H2 и др.

Ковалентная полярная связь — это связь, при которой область повышенной электронной плотности смещена к ядру атома с большей ЭО. В результате этот атом приобретает эффективный отрицательный заряд, а на другом менее электроотрицательном атоме возникает равный по величине эффективный положительный заряд. Такая система представляет собой электрический диполь. Полярная связь образуется между атомами с разной ЭО, например, в молекулах HCl, HI, H2O, H2S, CO и др. Чем больше разность электроотрицательностей атомов, образующих связь (?ЭОА — В), тем выше полярность связи.

Важнейшие свойства ковалентной связи — насыщаемость и направленность. Насыщаемость — это способность атомов образовывать ограниченное число ковалентных связей. В случае обменного механизма число связей равно числу неспаренных валентных электронов атома. Способность атома к образованию химических связей характеризуется валентностью.

Валентность определяется как число химических связей, которыми данный атом соединен с другими атомами. Она зависит от того, в каком состоянии — основном или возбужденном находится атом. Основное состояние — это устойчивое состояние с наименьшей энергией. При возбуждении спаренные валентные электроны разъединяются и переходят с одного подуровня на свободные АО другого, энергетически более высокого подуровня в пределах внешнего энергетического уровня. В результате число неспаренных электронов увеличивается, и атом данного элемента образует максимально возможное для него число химических связей, проявляя при этом высшую валентность и высшую положительную степень окисления, равную номеру группы в Периодической системе (см. примеры решения задач).

Ковалентная связь имеет направленность, которая обусловливает пространственную структуру молекулы, т. е. ее геометрическую форму. В зависимости от способа перекрывания АО различают у (сигма) —, р (пи) — и д (дельта) — связи.

у — связь обладает осевой симметрией относительно межъядерной оси, и область перекрывания АО лежит на межъядерной оси. Ее могут образовывать s — АО, p — АО и d — АО. Именно у — связи определяют пространственную конфигурацию молекул:

р — связь образуется при перекрывании АО, расположенных параллельно друг другу. Область перекрывания лежит по обе стороны от межъядерной оси. В образовании р — связи могут участвовать p — и d — АО:

д — связи образуют только d — АО.

Сигма — связь является самой прочной связью и всегда образуется в первую очередь. Между двумя атомами в молекуле возможна лишь одна у — связь.

Для объяснения геометрической структуры молекул (или направленности ковалентной связи) используют представление о гибридизации атомных орбиталей центрального атома в молекуле АВn.

Гибридизация — это выравнивание энергии различных АО у атома, А в результате их смешения перед химическим взаимодействием, что приводит к образованию гибридных орбиталей. В гибридизации участвуют только АО одного уровня, например, 2s и 2p. Каждому виду гибридизации АО соответствует определенная геометрическая форма молекулы. Например, spгибридизации (две связи) соответствует линейная форма молекулы (BeCl2), sp2- гибридизации (три связи) — плоская треугольная (BCl3), sp3 — гибридизации (четыре связи) — тетраэдрическая (CH4).

Ионная связь — связь между ионами, осуществляемая их электростатическим взаимодействием. Ионная связь возникает между атомами металлов и неметаллов, резко отличающимися по своей электроотрицательности. Механизм образования ионной связи заключается в переходе электронов от одного атома к другому (более электроотрицательному), в результате чего атомы превращаются в противоположно заряженные ионы (катион и анион) и происходит их электростатическое взаимодействие. Свойства ионной связи — ненаправленность и ненасыщаемость.

Металлическая связь — это связь, образованная в результате перекрывания валентных орбиталей атомов металлов, в результате чего электроны свободно перемещаются из одной орбитали в другую, осуществляя связь между всеми атомами кристалла металла.

Примеры решения задач Пример 1. Объясните механизм образования ковалентной химической связи в молекуле HBr и оцените степень ее полярности.

Р е ш е н и е. 1) Для объяснения механизма образования ковалентной химической связи необходимо определить, какие электроны участвуют в образовании этой связи. Запишем электронные конфигурации атомов и электронные схемы строения их валентных уровней; изобразим форму АО, участвующих в образовании связи.

Н 1s1.

Z = +1.

Br 1s22s22p63s23p63d104s24p5.

Z = +35 4p.

4s.

Для образования ковалентной связи атомы водорода и брома предоставляют по одному неспаренному электрону с антипараллельными спинами: атом Н — электрон, находящийся на s — АО (форма АО — сфера), а атом Br — электрон с p — АО (форма АО — гантель).

2) Покажем механизм образования ковалентной связи в молекуле HBr.

В молекуле HBr связь создается за счет перекрывания двух атомных орбиталей: s — АО и p — АО с образованием между ядрами атомов H и Br зоны повышенной электронной плотности:

H Br.

• 3) Для определения степени полярности связи рассчитаем разность электроотрицательностей атомов, образующих молекулу: ЭОН = 2,2; ЭОBr = 2,8; т. е. ЭОH? Br = 0,6, поэтому связь в молекуле HBr ковалентная полярная.
• 4) Определим вид химической связи в зависимости от способа перекрывания АО взаимодействующих атомов. В молекулах с одинарной химической связью (а именно таковой является молекула HBr) всегда образуется у — связь как более прочная. В случае у — связи область перекрывания АО расположена на линии, соединяющей ядра двух атомов.

Пример 2. Определите химические свойства, валентность и возможные степени окисления атома углерода в основном и возбужденном состояниях.

Р е ш е н и е. 1) Рассмотрим основное состояние атома углерода. Так как химические свойства атома определяются его электронным строением, составим электронную конфигурацию атома С и выделим строение валентного уровня:

С Z = +6, 1s22s22p2.

2) Составим электронную схему валентного уровня и определим химические свойства атома С, его валентность и степень окисления.

2s 2p.

Валентность атома определяется числом неспаренных электронов валентного уровня. Из данной схемы видно, что атом углерода имеет два неспаренных валентных электрона, значит в основном состоянии валентность атома углерода равна двум (В=II), т. е. атом углерода может образовывать две химические связи. Вступая во взаимодействие с другими атомами, атом С стремится завершить свой внешний уровень. Поэтому он может отдать эти два неспаренных электрона, проявляя при этом восстановительные свойства и превращаясь в положительно заряженный ион со степенью окисления +2: С0? 2 з = С+2.

2s22p2 2s2 (типа He).

Но атом углерода, как неметалл, может принимать недостающие до завершения внешнего уровня четыре электрона, проявляя окислительные свойства и превращаясь в отрицательно заряженный ион со степенью окисления.

— 4: С0 + 4 з = С-4.

• 2s22p2 2s22p6 (типа Ne)
• 3) Рассмотрим возбужденное состояние атома углерода. Для возбуждения атома необходимо наличие свободной АО внутри валентного уровня и спаренных электронов. Из электронной схемы строения внешнего уровня атома углерода видно, что атом С имеет вакантную АО на 2p — подуровне, а из четырех валентных электронов два электрона (2s2) спарены. Следовательно, атом углерода может находиться в возбужденном состоянии. При возбуждении происходит распаривание 2s2- электронов и переход их с 2sна 2p — подуровень:

С0…2s22p2 > С* … 2s12p3.

2s 2p 2s 2p.

Основное состояние Возбужденное состояние При возбуждении число неспаренных электронов увеличивается до четырех. Значит в возбужденном состоянии атом углерода проявляет валентность В=IV и образует четыре химические связи. В возбужденном состоянии атом С может только отдать на связь свои 4з, проявляя восстановительные свойства и превращаясь в положительно заряженный ион со степенью окисления +4:

С0 — 4 з = С+4.

2s22p2 1s2 (типа He).

Пример 3. Определите, какая связь C? N или C? B является более полярной. Укажите, к ядру какого атома происходит смещение общей электронной пары.

Р е ш е н и е. Для определения полярности связи необходимо найти разность электроотрицательностей атомов (?ЭО), образующих эти связи. Из табл.1 выписываем значения ЭО этих атомов и находим? ЭО: ЭОС =2,6; ЭОN = 3,0; ЭОB = 2,0; ?ЭОC?N =3,0 — 2,6 = 0,4; ?ЭОC?B = 2,6 — 2,0 = 0,6.

Известно, что чем больше? ЭО атомов, образующих связь, тем выше полярность связи. Поэтому более полярной является связь C-B. При образовании ковалентной связи общая электронная пара смещается к ядру атома с большей ЭО. В химической связи C? N общая электронная пара смещена к атому N, а в химической связи C? Bк атому С.