Властивості ковалентного зв’язку
ПОСІБНИК З ХІМІЇ ДЛЯ ВСТУПНИКІВ ДО ВИЩИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ
Частина І. ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ
Розділ 3. ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК
§ 3.2. Властивості ковалентного зв’язку
Характерні властивості ковалентного зв’язку – його довжина, енергія, насичуваність і напрямленість.
Довжина зв’язку – це між’ядерна відстань. Хімічний зв’язок тим міцніший, чим менша його довжина. Однак мірою міцності зв’язку є його енергія.
Енергія зв’язку визначається кількістю енергії, необхідної для розвитку зв’язку. Звичайно вона
Під насичуваністю розуміють здатність атомів утворювати обмежену кількість ковалентних зв’язків. Наприклад, атом гідрогену (один неспарений електрон) утворює один зв’язок, атом карбону (чотири неспарених електрони у збудженому стані) – не більше чотирьох зв’язків. Внаслідок
Напрямленість ковалентного зв’язку зумовлює просторову структуру молекул, тобто їх геометрію (форму). Розглянемо це на прикладі утворення молекул НСl, Н2О і NH3.
Відомо, що ковалентний зв’язок виникає в напрямку максимального перекривання електронних орбіталей взаємодіючих атомів. Під час утворення молекул НСl відбувається перекривання s-орбіталі атома гідрогену з р-орбіталлю атома хлору. Молекули такого типу мають гантелеподібну форму (рис. 3.2, б).
На зовнішньому рівні атома оксигену є два неспарених електрони. Орбіталі їх взаємно перпендикулярні, тобто розміщені одна відносно одної під кутом 90°. Під час утворення молекули води орбіталь кожного р-електрона атома оксигену перекривається з орбіталлю 1s-електрона атома гідрогену вздовж лінії осей координат в місці, позначеному густішими точками (рис. 3.3). Хімічні зв’язки в цьому випадку повинні бути напрямлені під кутом 90°. Експериментально знайдено, що кут між зв’язками у молекулі води Н-О-Н дорівнює 104,5° (в кінці параграфа, пояснено це відхилення).
Рис. 3.3. Схема утворення хімічних зв’язків у молекулі Н2О
Рис. 3.4. Схема утворення хімічних зв’язків у молекулі NНз
Отже, атом оксигену з двома неспареними (валентними) р-електронами утворює з атомом гідрогену молекулу води, яка має кутову форму. Очевидно, молекули такої самої форми повинні утворювати з гідрогеном аналоги оксигену – сульфур, селен, телур.
В утворенні молекули NH3 беруть участь три неспарених р-електрони атома нітрогену, електронні орбіталі яких також взаємно перпендикулярні, і 1s-електрони трьох атомів гідрогену. Зв’язки розміщуються вздовж трьох осей р-орбіталей (рис. 3.4). Молекула має форму правильної піраміди: в кутах трикутника розміщені атоми гідрогену, у вершині піраміди – атом нітрогену. Кут між зв’язками Н – N-Н дорівнює 107,3°. Молекули такої самої форми (але з іншою величиною кута) утворюють з гідрогеном аналоги нітрогену – фосфор, арсен, стибій.
Ковалентні зв’язки, утворені багатовалентними атомами, завжди мають просторову напрямленість. Кути між зв’язками називаються валентними.
Дуже часто електрони, що беруть участь в утворенні ковалентного зв’язку, перебувають в різних станах, наприклад один в s-, інший – в р-орбіталях. Здавалося б, що й зв’язки в молекулі за міцністю повинні бути нерівноцінними. Однак досвід показує, що вони рівноцінні. Це явище пояснюється уявленням про гібридизацію атомних орбіталей, введеним Л. Полінгом.
Гібридизацію валентних орбіталей розглянемо на прикладі утворення молекул хлориду берилію ВеСl2, хлориду бору ВСlЗ і метану СН4.
Перехід атома берилію в збуджений стан супроводжується роз’єднанням спарених електронів, тобто розщепленням двохелектронної хмари (2s ) на одноелектронні. Схематично це можна зобразити так:
Перехід 2s-електрона на 2р-орбіталь, тобто перехід атома у збуджений стан, потребує витрати енергії, яка з надлишком компенсується в реакції за рахунок утворення двох зв’язків. У збудженому стані берилій приєднує два атоми хлору:
Обидва зв’язки Be-Сl однаково міцні й розташовані під кутом 180°.
Однакова міцність зв’язків пояснюється гібридизацією валентних (зовнішніх) орбіталей, тобто змішуванням їх і вирівнюванням за формою й енергією. В цьому випадку початкова форма й енергія електронних орбіталей атома видозмінюються й утворюються електронні орбіталі однакових форми й енергії. Гібридизована орбіталь асиметрична і сильно витягнто по один бік від ядра (рис. 3.5).
Хімічний зв’язок, утворений за участю електронів гібридизованих орбіталей, міцнішии, ніж зв’язок за участю негібридизованих (чистих) s – і р-орбіталей, оскільки при гібридизації відбувається повніше перекривання. Гібридизація здійснюється тоді, коли в утворенні зв’язків даного атома беруть участь електрони різного типу (у нашому прикладі s – і р-електрони). При цьому число гібридизованих орбіталей дорівнює числу вихідних. Отже, в утворенні хімічного зв’язку
Рис. 3.5. Форма sp-гібридизованої орбіталі
Рис. 3.6. sp – Гібридизація валентних орбіталей
У молекулі ВеСl2 беруть участь один s – і один р-електрони центрального атома, тобто берилію. В цьому випадку відбувається sp-гібридизація орбіталей (читається: ес-пе-гібридизація) (рис. 3.6). Дві гібридизовані орбіталі розташовуються під кутом 180° одна до одної, тобто молекула ВеСl2 має лінійну форму – всі три атоми розміщені на одній лінії (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Лінійна молекула ВеСl
У молекулі хлориду бору ВСl3 здійснюється sp-гібридизація орбіталей центрального атома (читається: ес-пе-два – гібридизація). В атома бору (електронна структура 1s22s2р1, у збудженому стані 1s22s2р2) у гібридизації беруть участь орбіталі одного s – і двох р-електронів, що забезпечує утворення трьох гібридизованих орбіталей, розташованих під кутом 120° (рис. 3.8). Молекула ВСl3 має форму плоского рівностороннього тpикутника з атомом В у центрі. Кут між
Рис. 3.8. sp2-Гібридизація валентних орбіталей
Осями гібридизованих орбіталей становить 120°, усі чотири атоми розташовані в одній площині (рис. 3.9).
Під час утворення молекули метану атом карбону переходить у збуджений стан, що супроводжується роз’єднанням спарених 2s-електронів, тобто розщепленням двохелектронної хмари на одноелектронні:
Як випливає із схеми, атом карбону в основному стані має два неспарених електрони (двовалентний), у збудженому стані (позначено зірочкою) – чотири (чотиривалентний) і може приєднувати чотири атоми гідрогену:
Під час утворення молекули метану в атома карбону гібридиззувались орбіталі одного s – і трьох р-електронів і утворилося чотири однакові гібридизовані орбіталі (рис. 3.10). Така гібридизація називається sp – гібридизацією (читається ес-пе-три-гібридизація). Валентний кут між осями гібридизованих орбіталей становить 109°28′.
Внаслідок перекривання чотирьох гібридизованих sp – орбіталей атома карбону і
Рис. 3.9. Плоска трикутна молекула ВСl3
Рис. 3.10. sр3-Гібридизація валентних орбіталей
S-орбіталей чотирьох атомів гідрогену утворюється міцна молекула з чотирма однаковими зв’язками (рис. 3.11).
Гібридизацією орбіталей пояснюється також той факт, що валентні кути зв’язків у молекулах води й аміаку менші від тетраедричного (див. рис. 3.3. і 3.4). Як і у випадку утворення молекул води й аміаку, відбувається sр3-гібридизація атомних орбіталей атомів оксигену й нітрогену. Проте в атома карбону всі чотири sp – орбіталі зайняті зв’язуючими електронними парами (див. рис. 3.11), в той час як у атома нітрогену одна sp – орбіталь з чотирьох зайнята розпушуючою електронною парою (див. рис. 3.4), а в атома оксигену ними зайнято дві sp – орбіталі (див. рис. 3.3).
Отже, на зміні кута від тетраедричного (109°28′) позначається відштовхувальна дія неподілених (розпушуючих) електронних пар, що займають sр3-гібридизовані орбіталі: в атома нітрогену вона одна (кут 107,3°), в атома оксигену – дві (кут 104,5°).
Уявлення про гібридизацію валентних орбіталей широко використовується в органічній хімії (див. ч. III).
Рис. 3.11. Схема утворення хімічних зв’язків у тетраедричній молекулі метану
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...