Молекулы с донорно акцепторной связью примеры егэ

• Курс

Темы кодификатора ЕГЭ: Ковалентная химическая связь, ее разновидности и механизмы образования. Характеристики ковалентной связи (полярность и энергия связи). Ионная связь. Металлическая связь. Водородная связь

Химические связи

Сначала рассмотрим связи, которые возникают между частицами внутри молекул. Такие связи называют внутримолекулярными.

Химическая связь между атомами химических элементов имеет электростатическую природу и образуется за счет взаимодействия внешних (валентных) электронов, в большей или меньшей степени удерживаемых положительно заряженными ядрами связываемых атомов.

Ключевое понятие здесь – ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ. Именно она определяет тип химической связи между атомами и свойства этой связи.

Электроотрицательность χ – это способность атома притягивать (удерживать) внешние (валентные) электроны. Электроотрицательность определяется степенью притяжения внешних электронов к ядру и зависит, преимущественно, от радиуса атома и заряда ядра.

Электроотрицательность сложно определить однозначно. Л.Полинг составил таблицу относительных электроотрицательностей (на основе энергий связей двухатомных молекул). Наиболее электроотрицательный элемент – фтор со значением 4.

Важно отметить, что в различных источниках можно встретить разные шкалы и таблицы значений электроотрицательности. Этого не стоит пугаться, поскольку при образовании химической связи играет роль разность электроотрицательностей атомов, а она примерно одинакова в любой системе.

Если один из атомов в химической связи  А:В сильнее притягивает электроны, то электронная пара смещается к нему. Чем больше разность электроотрицательностей атомов, тем сильнее смещается электронная пара.

Если значения электроотрицательностей взаимодействующих атомов равны или примерно равны: ЭО(А)≈ЭО(В), то общая электронная пара не смещается ни к одному из атомов: А : В. Такая связь называется ковалентной неполярной.

Если электроотрицательности взаимодействующих атомов отличаются, но не сильно (разница электроотрицательностей примерно от 0,4 до 2: 0,4<ΔЭО<2), то электронная пара смещается к одному из атомов. Такая связь называется ковалентная полярная.

Если электроотрицательности взаимодействующих атомов отличаются существенно (разница электроотрицательностей больше 2: ΔЭО>2), то один из электронов практически полностью  переходит к другому атому, с образованием ионов. Такая связь называется ионная.

Основные типы химических связей — ковалентная, ионная и металлическая связи. Рассмотрим их подробнее.

Ковалентная химическая связь

Ковалентная связь – это химическая связь, образованная за счет образования общей электронной пары А:В. При этом у двух атомов перекрываются атомные орбитали. Ковалентная связь образуется при взаимодействии атомов с небольшой разницей электроотрицательностей (как правило, между двумя неметаллами) или атомов одного элемента.

Основные свойства ковалентных связей

• направленность,
• насыщаемость,
• полярность,
• поляризуемость.

Эти свойства связи влияют на химические и физические свойства веществ.

Направленность связи характеризует химическое строение и форму веществ. Углы между двумя связями называются валентными. Например, в молекуле воды валентный угол H-O-H равен 104,45^о, поэтому молекула воды — полярная, а в молекуле метана валентный угол Н-С-Н 109^о28′.

Насыщаемость — это способность атомов образовывать ограниченное число ковалентных химических связей. Количество связей, которые способен образовывать атом, называется валентностью.

Полярность связи возникает из-за неравномерного распределения электронной плотности между двумя атомами с различной электроотрицательностью. Ковалентные связи делят на полярные и неполярные.

Поляризуемость связи — это способность электронов связи смещаться под действием внешнего электрического поля (в частности, электрического поля другой частицы). Поляризуемость зависит от подвижности электронов. Чем дальше электрон находится от ядра, тем он более подвижен, соответственно и молекула более поляризуема.

Ковалентная неполярная химическая связь

Существует 2 вида ковалентного связывания – ПОЛЯРНЫЙ и НЕПОЛЯРНЫЙ.

Пример. Рассмотрим строение молекулы водорода H₂. Каждый атом водорода на внешнем энергетическом уровне несет 1 неспаренный электрон. Для отображения атома используем структуру Льюиса – это схема строения внешнего энергетического уровня атома, когда электроны обозначаются точками. Модели точечных структур Льюиса неплохо помогают при работе с элементами второго периода.

H^. + ^.H = H:H 

Таким образом, в молекуле водорода одна общая электронная пара и одна химическая связь H–H. Эта электронная пара не смещается ни к одному из атомов водорода, т.к. электроотрицательность у атомов водорода одинаковая. Такая связь называется ковалентной неполярной.

Ковалентная неполярная (симметричная) связь – это ковалентная связь, образованная атомами с равной элетроотрицательностью (как правило, одинаковыми неметаллами) и, следовательно, с равномерным распределением электронной плотности между ядрами атомов.

Дипольный момент неполярных связей равен 0.

Примеры: H₂ (H-H), O₂ (O=O), S₈.

Ковалентная полярная химическая связь

Ковалентная полярная связь – это ковалентная связь, которая возникает между атомами с разной электроотрицательностью (как правило, разными неметаллами) и характеризуется смещением общей электронной пары к более электроотрицательному атому (поляризацией).

Электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому – следовательно, на нем возникает частичный отрицательный заряд (δ-), а на менее электроотрицательном атоме возникает частичный положительный заряд (δ+, дельта +).

Чем больше различие в электроотрицательностях атомов, тем выше полярность связи и тем больше дипольный момент. Между соседними молекулами и противоположными по знаку зарядами действуют дополнительные силы притяжения, что увеличивает прочность связи.

Полярность связи влияет на физические и химические свойства соединений. От полярности связи зависят механизмы реакций и даже реакционная способность соседних связей. Полярность связи зачастую определяет полярность молекулы и, таким образом, непосредственно влияет на такие физические свойства как температуре кипения и температура плавления, растворимость в полярных растворителях.

Примеры: HCl, CO₂, NH₃.

Механизмы образования ковалентной связи

Ковалентная химическая связь может возникать по 2 механизмам:

1. Обменный механизм образования ковалентной химической связи – это когда каждая частица предоставляет для образования общей электронной пары один неспаренный электрон:

А^. + ^.В= А:В

2. Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи – это такой механизм, при котором одна из частиц предоставляет неподеленную электронную пару, а другая частица предоставляет вакантную орбиталь для этой электронной пары:

А: +  B= А:В

При этом один из атомов предоставляет неподеленную электронную пару (донор), а другой атом предоставляет вакантную орбиталь для этой пары (акцептор). В результате образования связи оба энергия электронов уменьшается, т.е. это выгодно для атомов.

Ковалентная связь, образованная по донорно-акцепторному механизму, не отличается по свойствам от других ковалентных связей, образованных по обменному механизму. Образование ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму характерно для атомов либо с большим числом электронов на внешнем энергетическом уровне (доноры электронов), либо наоборот, с очень малым числом электронов (акцепторы электронов). Более подробно валентные возможности атомов рассмотрены в соответствующей статье.

Ковалентная связь по донорно-акцепторному механизму образуется:

– в молекуле угарного газа CO (связь в молекуле – тройная, 2 связи образованы по обменному механизму, одна – по донорно-акцепторному): C≡O;

– в ионе аммония NH₄⁺, в ионах органических аминов, например, в ионе метиламмония CH₃-NH₃⁺;

– в комплексных соединениях, химическая связь между центральным атомом и группами лигандов, например, в тетрагидроксоалюминате натрия Na[Al(OH)₄] связь между алюминием и гидроксид-ионами;

– в азотной кислоте и ее солях — нитратах: HNO₃, NaNO₃, в некоторых других соединениях азота;

– в молекуле озона O₃.

Основные характеристики ковалентной связи

Ковалентная связь, как правило, образуется между атомами неметаллов. Основными характеристиками ковалентной связи являются длина, энергия, кратность и направленность.

Кратность химической связи

Кратность химической связи — это число общих электронных пар между двумя атомами в соединении. Кратность связи достаточно легко можно определить из значения валентности атомов, образующих молекулу.

Например, в молекуле водорода H₂ кратность связи равна 1, т.к. у каждого водорода только 1 неспаренный электрон на внешнем энергетическом уровне, следовательно, образуется одна общая электронная пара.

В молекуле кислорода O₂ кратность связи равна 2, т.к. у каждого атома на внешнем энергетическом уровне есть по 2 неспаренных электрона: O=O.

 В молекуле азота N₂ кратность связи равна 3, т.к. между у каждого атома по 3 неспаренных электрона на внешнем энергетическом уровне, и атомы образуют 3 общие электронные пары N≡N.

Длина ковалентной связи

Длина химической связи – это расстояние между центрами ядер атомов, образующих связь. Ее определяют экспериментальными физическими методами. Оценить величину длины связи можно примерно, по правилу аддитивности, согласно которому длина связи в молекуле АВ приблизительно равна полусумме длин связей в молекулах А₂ и В₂:

Длину химической связи можно примерно оценить по радиусам атомов, образующих связь, или по кратности связи, если радиусы атомов не сильно отличаются.

При увеличении радиусов атомов, образующих связь, длина связи увеличится.

Например.  В ряду: C–C, C=C, C≡C  длина связи уменьшается.

Связь	Длина связи, нм
H-F	0,092
H-Cl	0,128
H-Br	0,142
H-I	0,162

При увеличении кратности связи между атомами (атомные радиусы которых не отличаются, либо отличаются незначительно) длина связи уменьшится.

Например.  В ряду: C–C, C=C, C≡C  длина связи уменьшается.

Связь	Длина связи, нм
С–С	0,154
С=С	0,133
С≡С	0,120

Энергия связи

Мерой прочности химической  связи является энергия связи. Энергия связи определяется энергией, необходимой для разрыва связи и удаления атомов, образующих эту связь, на бесконечно большое расстояние друг от друга.

Ковалентная связь является очень прочной. Ее энергия составляет от нескольких десятков до нескольких сотен кДж/моль. Чем больше энергия связи, тем больше прочность связи, и наоборот.

Прочность химической связи зависит от длины связи, полярности связи и кратности связи. Чем длиннее химическая связь, тем легче ее разорвать, и тем меньше энергия связи, тем ниже ее  прочность. Чем короче химическая связь, тем она прочнее, и тем больше энергия связи.

Например, в ряду соединений HF, HCl, HBr слева направо прочность химической связи уменьшается, т.к. увеличивается длина связи.

Ионная химическая связь

Ионная связь — это химическая связь, основанная на электростатическом притяжении ионов.

Ионы образуются в процессе принятия или отдачи электронов атомами. Например, атомы всех металлов слабо удерживают электроны внешнего энергетического уровня. Поэтому для атомов металлов характерны восстановительные свойства — способность отдавать электроны.

Пример. Атом натрия содержит на 3 энергетическом уровне 1 электрон. Легко отдавая его, атом натрия образует гораздо более устойчивый ион Na⁺, с электронной конфигурацией благородного газа неона Ne. В ионе натрия содержится 11 протонов и только 10 электронов, поэтому суммарный заряд иона -10+11 = +1:

+11Na )₂)₈)₁ — 1e = +11Na⁺ )₂)₈

Пример. Атом хлора на внешнем энергетическом уровне содержит 7 электронов. Чтобы приобрести конфигурацию стабильного инертного атома аргона Ar, хлору необходимо присоединить 1 электрон. После присоединения электрона образуется стабильный ион хлора, состоящий из электронов. Суммарный заряд иона равен -1:

+17Cl )₂ )₈ )₇ + 1e = +17Cl^— )₂ )₈ )₈

Обратите внимание:

• Свойства ионов отличаются от свойств атомов!
• Устойчивые ионы могут образовывать не только атомы, но и группы атомов. Например: ион аммония NH₄⁺, сульфат-ион SO₄^2- и др. Химические связи, образованные такими ионами, также считаются ионными;
• Ионную связь, как правило, образуют между собой металлы и неметаллы (группы неметаллов);

Образовавшиеся ионы притягиваются за счет электрического притяжения: Na⁺Cl^—, Na₂⁺ SO₄^2-.

Наглядно обобщим различие между ковалентными и ионным типами связи:

Металлическая химическая связь

Металлическая связь — это связь, которую образуют относительно свободные электроны между ионами металлов, образующих кристаллическую решетку.

У атомов металлов на внешнем энергетическом уровне обычно расположены от одного до трех электронов. Радиусы у атомов металлов, как правило, большие — следовательно, атомы металлов, в отличие от неметаллов, достаточно легко отдают наружные электроны, т.е. являются сильными восстановителями.

Отдавая электроны, атомы металлов превращаются в положительно заряженные ионы. Оторвавшиеся электроны относительно свободно перемещаются между положительно заряженными ионами металлов. Между этими частицами возникает связь, т.к. общие электроны удерживают катионы металлов, расположенные слоями,  вместе, создавая таким образом достаточно прочную  металлическую  кристаллическую решетку. При этом электроны непрерывно хаотично двигаются, т.е. постоянно возникают новые нейтральные атомы и новые катионы.

 Межмолекулярные взаимодействия

Отдельно стоит рассмотреть взаимодействия, возникающие между отдельными молекулами в веществе — межмолекулярные взаимодействия. Межмолекулярные взаимодействия — это такой вид взаимодействия между нейтральными атомами, при котором не появляются новые ковалентные связи. Силы взаимодействия между молекулами обнаружены Ван-дер Ваальсом в 1869 году, и названы в честь него Ван-дар-Ваальсовыми силами. Силы Ван-дер-Ваальса делятся на ориентационные, индукционные и дисперсионные. Энергия межмолекулярных взаимодействий намного меньше энергии химической связи.

Ориентационные силы притяжения возникают между полярными молекулами (диполь-диполь взаимодействие). Эти силы возникают между полярными молекулами. Индукционные взаимодействия — это взаимодействие между полярной молекулой и неполярной. Неполярная молекула поляризуется из-за действия полярной, что и порождает дополнительное электростатическое притяжение.

Особый вид межмолекулярного взаимодействия — водородные связи. Водородные связи — это межмолекулярные (или внутримолекулярные) химические связи, возникающие между молекулами, в которых есть сильно полярные ковалентные связи — H-F, H-O или H-N. Если в молекуле есть такие связи, то между молекулами будут возникать дополнительные силы притяжения.

Механизм образования водородной связи частично электростатический, а частично — донорно–акцепторный. При этом донором электронной пары выступают атом сильно электроотрицательного элемента (F, O, N), а акцептором — атомы водорода, соединенные с этими атомами. Для водородной связи характерны направленность в пространстве и насыщаемость.

Водородную связь можно обозначать точками: Н ··· O. Чем больше электроотрицательность атома, соединенного с водородом, и чем меньше его размеры, тем крепче водородная связь. Она характерна прежде всего для соединений фтора с водородом, а также кислорода с водородом, в меньшей степени азота с водородом.

Водородные связи возникают между следующими веществами:

— фтороводород HF (газ, раствор фтороводорода в воде — плавиковая кислота), вода H₂O (пар, лед, жидкая вода):

— раствор аммиака и органических аминов — между молекулами аммиака и воды;

— органические соединения, в которых связи O-H или N-H: спирты, карбоновые кислоты, амины, аминокислоты, фенолы, анилин и его производные, белки, растворы углеводов — моносахаридов и дисахаридов.

Водородная связь оказывает влияние на физические и химические свойства веществ. Так, дополнительное притяжение между молекулами затрудняет кипение веществ. У веществ с водородными связями наблюдается аномальное повышение температуры кипения.

Например, как правило, при повышении молекулярной массы наблюдается повышение температуры кипения веществ. Однако в ряду веществ H₂O-H₂S-H₂Se-H₂Te мы не наблюдаем линейное изменение температур кипения.

А именно, у воды температура кипения аномально высокая — не меньше -61^оС, как показывает нам прямая линия, а намного больше, +100 ^оС. Эта аномалия объясняется наличием водородных связей между молекулами воды. Следовательно, при обычных условиях (0-20^оС) вода является жидкостью по фазовому состоянию.

Тренировочный тест по теме «Химические связи» — 10 вопросов, при каждом прохождении новые.

Учение о химической связи составляет основу всей теоретической химии.

Под химической связью понимают такое взаимодействие атомов, которое связывает их в молекулы, ионы, радикалы, кристаллы.

Различают четыре типа химических связей: ионную, ковалентную, металлическую и водородную.

Деление химических связей на типы носит условный характер, по скольку все они характеризуются определенным единством.

Ионную связь можно рассматривать как предельный случай ковалентной полярной связи.

Металлическая связь совмещает ковалентное взаимодействие атомов с помощью обобществленных электронов и электростатическое притяжение между этими электронами и ионами металлов.

В веществах часто отсутствуют предельные случаи химической связи (или чистые химические связи).

Например, фторид лития $LiF$ относят к ионным соединениям. Фактически же в нем связь на $80%$ ионная и на $20%$ ковалентная. Правильнее поэтому, очевидно, говорить о степени полярности (ионности) химической связи.

В ряду галогеноводородов $HF—HCl—HBr—HI—HАt$ степень полярности связи уменьшается, ибо уменьшается разность в значениях электроотрицательности атомов галогена и водорода, и в астатоводороде связь становится почти неполярной $(ЭО(Н) = 2.1; ЭО(At) = 2.2)$.

Различные типы связей могут содержаться в одних и тех же веществах, например:

1. в основаниях: между атомами кислорода и водорода в гидроксогруппах связь полярная ковалентная, а между металлом и гидроксогруппой — ионная;
2. в солях кислородсодержащих кислот: между атомом неметалла и кислородом кислотного остатка — ковалентная полярная, а между металлом и кислотным остатком — ионная;
3. в солях аммония, метиламмония и т. д.: между атомами азота и водорода — ковалентная полярная, а между ионами аммония или метиламмония и кислотным остатком — ионная;
4. в пероксидах металлов (например, $Na_2O_2$) связь между атомами кислорода ковалентная неполярная, а между металлом и кислородом — ионная и т.д.

Различные типы связей могут переходить одна в другую:

— при электролитической диссоциации в воде ковалентных соединений ковалентная полярная связь переходит в ионную;

— при испарении металлов металлическая связь превращается в ковалентную неполярную и т.д.

Причиной единства всех типов и видов химических связей служит их одинаковая химическая природа — электронно-ядерное взаимодействие. Образование химической связи в любом случае представляет собой результат электронно-ядерного взаимодействия атомов, сопровождающегося выделением энергии.

Способы образования ковалентной связи. Характеристики ковалентной связи: длина и энергия связи

Ковалентная химическая связь — это связь, возникающая между атомами за счет образования общих электронных пар.

Механизм образования такой связи может быть обменным и донорно-акцепторным.

I. Обменный механизм действует, когда атомы образуют общие электронные пары за счет объединения неспаренных электронов.

1) $H_2$ — водород:

Связь возникает благодаря образованию общей электронной пары $s$-электронами атомов водорода (перекрыванию $s$-орбиталей):

2) $HCl$ — хлороводород:

Связь возникает за счет образования общей электронной пары из $s-$ и $p-$электронов (перекрывания $s-p-$орбиталей):

3) $Cl_2$: в молекуле хлора ковалентная связь образуется за счет непарных $p-$электронов (перекрывание $p-p-$орбиталей):

4) $N_2$: в молекуле азота между атомами образуются три общие электронные пары:

II. Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи рассмотрим на примере иона аммония $NH_4^+$.

Донор имеет электронную пару, акцептор — свободную орбиталь, которую эта пара может занять. В ионе аммония все четыре связи с атомами водорода ковалентные: три образовались благодаря созданию общих электронных пар атомом азота и атомами водорода по обменному механизму, одна — по донорно-акцепторному механизму.

Ковалентные связи можно классифицировать по способу перекрывания электронных орбиталей, а также по смещению их к одному из связанных атомов.

Химические связи, образующиеся в результате перекрывания электронных орбиталей вдоль линии связи, называются $σ$-связями (сигма-связями). Сигма-связь очень прочная.

$p-$Орбитали могут перекрываться в двух областях, образуя ковалентную связь за счет бокового перекрывания:

Химические связи, образующиеся в результате «бокового» перекрывания электронных орбиталей вне линии связи, т.е. в двух областях, называются $π$-связями (пи-связями).

По степени смещенности общих электронных пар к одному из связанных ими атомов ковалентная связь может быть полярной и неполярной.

Ковалентную химическую связь, образующуюся между атомами с одинаковой электроотрицательностью, называют неполярной. Электронные пары не смещены ни к одному из атомов, т.к. атомы имеют одинаковую ЭО — свойство оттягивать к себе валентные электроны от других атомов. Например:

т.е. посредством ковалентной неполярной связи образованы молекулы простых веществ-неметаллов. Ковалентную химическую связь между атомами элементов, электроотрицательности которых различаются, называют полярной.

Длина и энергия ковалентной связи.

Характерные свойства ковалентной связи — ее длина и энергия. Длина связи — это расстояние между ядрами атомов. Химическая связь тем прочнее, чем меньше ее длина. Однако мерой прочности связи является энергия связи, которая определяется количеством энергии, необходимой для разрыва связи. Обычно она измеряется в кДж/моль. Так, согласно опытным данным, длины связи молекул $H_2, Cl_2$ и $N_2$ соответственно составляют $0.074, 0.198$ и $0.109$ нм, а энергии связи соответственно равны $436, 242$ и $946$ кДж/моль.

Ионы. Ионная связь

Представим себе, что «встречаются» два атома: атом металла I группы и атом неметалла VII группы. У атома металла на внешнем энергетическом уровне находится единственный электрон, а атому неметалла как раз не хватает именно одного электрона, чтобы его внешний уровень оказался завершенным.

Первый атом легко отдаст второму свой далекий от ядра и слабо связанный с ним электрон, а второй предоставит ему свободное место на своем внешнем электронном уровне.

Тогда атом, лишенный одного своего отрицательного заряда, станет положительно заряженной частицей, а второй превратится в отрицательно заряженную частицу благодаря полученному электрону. Такие частицы называются ионами.

Химическая связь, возникающая между ионами, называется ионной.

Рассмотрим образование этой связи на примере хорошо всем знакомого соединения хлорида натрия (поваренная соль):

Процесс превращения атомов в ионы изображен на схеме:

Такое превращение атомов в ионы происходит всегда при взаимодействии атомов типичных металлов и типичных неметаллов.

Рассмотрим алгоритм (последовательность) рассуждений при записи образования ионной связи, например между атомами кальция и хлора:

1. Кальций — это элемент главной подгруппы II группы, металл. Его атому легче отдать два внешних электрона, чем принять недостающие шесть:${Ca^0}↙{атом}-2e↖{-}→Ca^{2+}↙{ион}$.
2. Хлор — это элемент главной подгруппы VII группы, неметалл. Его атому легче принять один электрон, которого ему не хватает до завершения внешнего уровня, чем отдать семь электронов с внешнего уровня:${Cl^0}↙{атом}+1e↖{-}→Cl^{-}↙{ион}$.
3. Сначала найдем наименьшее общее кратное между зарядами образовавшихся ионов, оно равно $2 (2 · 1)$. Затем определим, сколько атомов кальция нужно взять, чтобы они отдали два электрона, т.е. надо взять один атом $Са$, и сколько атомов хлора надо взять, чтобы они могли принять два электрона, т.е. нужно взять два атома $Cl$.
4. Схематично образование ионной связи между атомами кальция и хлора можно записать так:

Цифры, показывающие число атомов или молекул, называются коэффициентами, а цифры, показывающие число атомов или ионов в молекуле, называют индексами.

Металлическая связь

Ознакомимся с тем, как взаимодействуют между собой атомы элементов-металлов. Металлы обычно существуют не в виде изолированных атомов, а в форме куска, слитка или металлического изделия. Что удерживает атомы металла в едином объеме?

Атомы большинства металлов на внешнем уровне содержат небольшое число электронов — $1, 2, 3$. Эти электроны легко отрываются, и атомы при этом превращаются в положительные ионы. Оторвавшиеся электроны перемещаются от одного иона к другому, связывая их в единое целое. Соединяясь с ионами, эти электроны образуют временно атомы, потом снова отрываются и соединяются уже с другим ионом и т.д. Следовательно, в объеме металла атомы непрерывно превращаются в ионы и наоборот.

Связь в металлах между ионами посредством обобществленных электронов называется металлической.

На рисунке схематически изображено строение фрагмента металла натрия.

При этом небольшое число обобществленных электронов связывает большое число ионов и атомов.

Металлическая связь имеет некоторое сходство с ковалентной, поскольку основана на обобществлении внеш них электронов. Однако при ковалентной связи обобществлены внешние непарные электроны только двух соседних атомов, в то время как при металлической связи в обобществлении этих электронов принимают участие все атомы. Именно поэтому кристаллы с ковалентной связью хрупки, а с металлической, как правило, пластичны, электропроводны и имеют металлический блеск.

Металлическая связь характерна как для чистых металлов, так и для смесей различных металлов — сплавов, находящихся в твердом и жидком состояниях.

Водородная связь

Химическую связь между положительно поляризованными атомами водорода одной молекулы (или ее части) и отрицательно поляризованными атомами сильно электроотрицательных элементов, имеющих неподеленные электронные пары ($F, O, N$ и реже $S$ и $Cl$), другой молекулы (или ее части) называют водородной.

Механизм образования водородной связи имеет частично электростатический, частично донорно- акцепторный характер.

Примеры межмолекулярной водородной связи:

При наличии такой связи даже низкомолекулярные вещества могут быть при обычных условиях жидкостями (спирт, вода) или легко сжижающимися газами (аммиак, фтороводород).

Вещества с водородной связью имеют молекулярные кристаллические решетки.

Донорно-акцепторный механизм

Донорно-акцепторный
механизм – образование ковалентной
связи за счёт двухэлектронного облака
одного атома(донор) и свободной орбитали
другого(акцептор).

Примерами
образования химической связи по
донорно-акцепторному механизму являются:

а)
реакция аммиака с ионом водорода:

H⁺
+ ׃NH₃
= NH₄⁺

Роль
акцептора электронной пары играет
пустая орбиталь иона водорода. В ионе
аммония NH₄⁺
атом азота четырехвалентен.

б)
такая связь
образуется между атомом азота в молекуле
метиламина CH₃NH₂
и протоном H⁺
кислоты HCl:

Атом
азота отдает свою электронную пару на
образование связи и выступает в роли
донора, а протон предоставляет вакантную
орбиталь, играя роль акцептора. Атом-донор
при этом приобретает положительный
заряд.

в)
реакция валентно насыщенных соединений
аммиака и трифторида бора:

F₃B
+ ׃NH₃
= F₃B׃NH₃

акцептор донор1

В
молекуле аммиака заселены все четыре
орбитали азота, из них три – по обменному
механизму электронами азота и водорода,
а одна содержит электронную пару, оба
электрона которой принадлежат азоту.
Такая электронная пара называется
неподеленной электронной парой.
Образование соединения H₃N
· BF₃
происходит за счет того, что неподеленная
электронная пара аммиака занимает
вакантную орбиталь фторида бора. При
этом уменьшается потенциальная энергия
системы и выделяется эквивалентное
количество энергии.

В
соединении H₃N
· BF₃
азот и бор – четырехвалентны. Атом азота
повышает свою валентность от 3 до 4 в
результате использования неподеленной
электронной пары для образования
дополнительной химической связи. Атом
бора повышает валентность за счет
наличия у него свободной орбитали на
валентном электронном уровне. Таким
образом, валентность элементов
определяется не только числом неспаренных
электронов, но и наличием неподеленных
электронных пар и свободных орбиталей
на валентном электронном уровне.

Донорно-акцeпторная
связь отличается только способом
образования; по свойствам она одинакова
с остальными ковалентными связями.

Сeмипoлярная
связь является
разновидностью донорно-акцепторной
связи. Образование этой связи происходит
при взаимодействии атома-донора пары
электронов и атома-акцептора, не имеющих
формальных зарядов. При этом на
атоме-доноре возникает положительный
заряд, а на атоме-акцепторе, предоставившем
вакантную орбиталь, – отрицательный.

Например:

Атом кислорода в
молекуле диметилового эфира (CH₃)₂O
отдает свою неподеленную пару электронов
для образования связи с атомом алюминия,
имеющим во внешнем слое только 6 электронов
и готовым его дополнить до 8 в соответствии
с правилом октета). В результате на атоме
кислорода появляется положительный
заряд, а на атоме алюминия – отрицательный.
Противоположные по знаку заряды на
ковалентно-связанных атомах вызывают
их дополнительное электростатическое
притяжение (ионную связь).

Сочетание
ковалентной и ионной связей называют
сeмиполярной связью.

К семиполярным
связям относится также связь азот-кислород
в нитрогруппе NO₂,
входящей в состав азотной кислоты
HO–NO₂,
ее солей и эфиров, а также нитросоединений
R–NO₂:

В приведенных
формулах нитросоединения связи азота
с кислородом неравноценны. Однако, как
показывают результаты физических
исследований, эти связи энергетически
совершенно одинаковы. Следовательно,
электронная пара, обусловливающая
отрицательный заряд, не сосредоточена
целиком на каком-либо одном кислородном
атоме, а несколько смещена к азоту при
одновременном смещении от азота ко
второму кислородному атому подвижной
π-электронной пары двойной связи. В
результате выравнивания электронной
плотности в нитрогруппе формальный
отрицательный заряд (-1) распределяется
поровну (-1/2) между обоими атоми кислорода:

В плоском
треугольном ионе (NO₃)^—
делокализованные π-связи равномерно
распределяются между всеми атомами
кислорода. Точно также делокализованные
π-связи равномерно распределяются
между всеми атомами кислорода в
соединениях (BO₃)^3-
,(CO₃)^2-,SO₃
, в BF₃
– между всеми атомами фтора,в анионах
(PO₄)^3-
и (SO₄)^2-
, имеющих тетраэдрическое строение
делокализованные связи равномерно
распределяются между всеми атомами
кислорода

( рис.2 )

Рис.2
Структурные
формулы некоторых с соединений с учётом
делокализации π-связи.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Химической связью называется связь двух и более атомов (молекул) в органическом или неорганическом соединении. Она образуется при условии уменьшения общей энергии в системе.

Все ли элементы могут образовывать химические связи

Все элементы периодической системы имеют разную способность к образованию связи. Наиболее устойчивыми и, как результат, химически малоактивными являются атомы благородных (инертных) газов, так как содержат на внешней электронной оболочке два или восемь электронов. Они образуют небольшое количество связей. К примеру, неон, гелий и аргон не образуют химических связей ни с одним элементом, тогда как ксенон, криптон и радон способны реагировать с фтором и молекулами воды.

У атомов других элементов внешние уровни не завершены и имеют от одного до семи электронов, поэтому для повышения устойчивости оболочки образуют химические связи.

Типы химической связи

Выделяют несколько типов связи:

1. Ковалентная.
2. Ионная.
3. Металлическая.
4. Водородная.

Ковалентная связь

Данный тип связи формируется между атомами в молекуле в результате обобществления или перекрытия валентной электронной пары. Соответственно, существует обменный (а) и донорно-акцепторный (б) механизмы образования ковалентной связи. Отдельным случаем является дативная связь, которая будет рассмотрена ниже.

Ковалентная связь: обменный механизм

У атомов на внешнем уровне есть неспаренные электроны. При взаимодействии внешние оболочки перекрываются. Антипараллельные спины одиночных электронов, содержащихся на внешних уровнях, спариваются с образованием электронной пары, общей для обоих атомов. Данная пара электронов представляет, собственно, ковалентную связь, которая образована по обменному механизму, к примеру, в молекуле водорода.

Ковалентная связь: донорно-акцепторный механизм

Данный механизм заключается в обобществлении двумя атомами двух находящихся на внешнем уровне электронов. При этом один из атомов выступает в качестве донора (предоставляет два электрона), а другой — акцептора (имеет вакантную орбиталь для электронов). Атомы s- и p-элементов могут быть либо акцепторами, либо донорами электронов. Атомы d-элементов способны быть и донорами, и акцепторами.

Чтобы понять, что такое донорно-акцепторный механизм, рассмотрим два простейших примера — образование катионов гидроксония H₃O⁺ и аммония NH₄⁺.

Пример донорно-акцепторного механизма — катион аммония

Схематически реакция образования частицы аммония выглядит следующим образом:

NH₃+H⁺=NH₄⁺

Электроны в атоме N распределены в следующем порядке: 1s² 2s² 2p³.

Электронная структура катиона H: 1s⁰.

Атом азота на внешнем уровне содержит два s- и три p-электрона. Три p-электрона участвуют в образовании трех ковалентных обменного типа связей азот-водород N-H. В результате этого образуется молекула аммиака NH₃ с ковалентным типом связи. Поскольку атом азота N на внешнем уровне имеет еще пару электронов s, молекула NH₃ может присоединить еще и катион водорода. Молекула аммиака является донором, а катион водорода H⁺ – акцептором, который принимает донорские электроны от азота на собственную свободную s-орбиталь.

Пример донорно-акцепторного механизма – H3O (ион гидроксония)

Электроны в атоме кислорода распределены в следующем порядке: 1s² 2s² 2p⁴.

Атом кислорода на внешнем уровне имеет два s и четыре p-электрона. Исходя из этого, в образовании связей H-O принимают участие два свободных p-электрона и два s-электрона от двух атомов H. То есть 2 имеющиеся связи в молекуле H₂O – ковалентные, образованные по обменному механизму.

Электронная структура катиона водорода: 1s⁰.

Так как у атома кислорода на внешнем уровне остались еще два электрона (s-типа), он может образовать третью связь ковалентного типа по донорно-акцепторному механизму. Акцептором может быть атом, имеющий свободную орбиталь, в данном примере это частица H⁺. Свободную s-орбиталь катиона H⁺ занимают два электрона (s) атома кислорода.

Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи между неорганическими молекулами

Донорно-акцепторный механизм ковалентной связи возможен не только во взаимодействиях типа «атом-атом» или «молекула-атом», но и в реакциях, протекающих между молекулами. Единственным условием для донорно-акцепторного взаимодействия кинетически независимых молекул является уменьшение энтропии, другими словами, повышение упорядоченности химической структуры.

Рассмотрим первый пример — образование апротонной кислоты (кислоты Льюиса) NH₃BF₃. Данный неорганический комплекс образуется в реакции присоединения молекулы аммиака и фторида бора.

NH₃+BF₃= NH₃BF₃

Электроны в атоме бора распределены в следующем порядке: 1s² 2s² 2p¹.

При возбуждении атома B один электрон s-типа переходит на p-подуровень (1s² 2s¹ 2p²). Таким образом, на внешнем уровне возбужденного атома бора находится два s- и два p-электрона.

В молекуле BF₃ три ковалентные связи бор-фтор B-F образованы обменного типа (атомы бора и фтора предоставляют по одному электрону). После образования трех ковалентных связей у атома бора на внешней электронной оболочке остается свободный p-подуровень, за счет которого молекула фторида бора может выступать акцептором электронов.

Электроны в атоме азота распределены в следующем порядке:1s² 2s² 2p³.

По три электрона от атомов N и H участвуют в формировании связи азот-водород. После этого у азота остается еще два электрона s-типа, которые он может предоставить для образования связи по донорно-акцепторному механизму.

В реакции взаимодействия трифторида бора и аммиака молекула NH₃ играет роль донора электронов, а молекула BF₃ – акцептора. Пара электронов азота занимает свободную орбиталь фторида бора и образуется химическое соединение NH₃BF₃.

Другой пример механизма образования донорно-акцепторной связи — получение полимера фторида бериллия.

Схематически реакция выглядит следующим образом:

BeF₂+BeF₂+…+BeF₂->(BeF₂)_n

Электроны в атоме Be расположены так — 1s² 2s², а в атоме F — 1s² 2s² 2p⁵.

Две связи бериллий-фтор в молекуле фторида бериллия ковалентные обменного типа (участвуют два p-электрона от двух атомов фтора и два электрона s-подуровня атома бериллия).

Между парой атомов бериллия (Be) и фтора (F) формируются еще две ковалентные связи по донорно-акцепторному механизму. В полимере фторида бериллия атом фтора — это донор электронов, атом бериллия – их акцептор, имеющий вакантную орбиталь.

Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи между органическими молекулами

Когда происходит формирование связи по рассматриваемому механизму между молекулами органической природы, образуются более сложные соединения — комплексы. В любом органическом соединении с ковалентной связью содержатся как занятые (несвязывающие и связывающие), так и пустые орбитали (разрыхляющие и несвязывающие). Возможность донорно-акцепторного образования комплексов определяется степенью устойчивости комплекса, которая зависит от прочности связи.

Рассмотрим пример — реакция взаимодействия молекулы метиламина с соляной кислотой с образованием хлорида метиламмония. В молекуле метиламина все связи ковалентные, образованные по обменному механизму – две связи H-N и одна связь N-CH₃. После соединения с водородом и метильной группой у атома азота есть еще пара электронов s-типа. Являясь донором, он предоставляет эту электронную пару для атома водорода (акцептор), у которого есть свободная орбиталь.

Донорно-акцепторный механизм без формирования химической связи

Не во всех случаях донорно-акцепторного взаимодействия происходит обобществление электронной пары и образование связи. Некоторые органические соединения могут объединяться между собой за счет перекрывания заполненной орбитали донора с пустой орбиталью акцептора. Происходит перенос заряда – электроны делокализуются между акцептором и донором, расположенными очень близко друг к другу. Образуются комплексные соединения с переносом заряда (КПЗ).

Такое взаимодействие характерно для пи-систем, орбитали которых легко перекрываются, а электроны легко поляризуются. В роли доноров могут выступать металлоцены, ненасыщенные аминосоединения, ТДАЭ (тетракис(диметиламино)этилен). Акцепторами зачастую являются фуллерены, хинодиметаны, имеющие акцепторные заместители.

Перенос заряда может быть как частичным, так и полным. Полный перенос заряда происходит при фотовозбуждении молекулы. При этом образуется комплекс, который можно наблюдать спектрально.

Независимо от полноты переноса заряда, такие комплексы неустойчивы. Для повышения прочности и времени жизни такого состояния дополнительно внедряют мостиковую группу. В результате этого донорно-акцепторные системы успешно используются в устройствах преобразования солнечной энергии.

В некоторых органических молекулах связь по донорно-акцепторному механизму формируется внутри молекулы между донорной и акцепторной группой. Такой тип взаимодействия носит название трансаннулярного эффекта, характерного, к примеру, для атранов (элементоорганические соединения со связями N->B, N->Si).

Семиполярная связь, или Дативный механизм образования связи

Кроме обменного и донорно-акцепторного существует третий механизм – дативный (другие названия – семиполярная, полуполярная или координационная связь). Атом-донор отдает пару электронов на свободную орбиталь нейтрального атома, которому необходимы два электрона, чтобы завершить внешний уровень. Происходит своеобразный переход электронной плотности от акцептора к донору. При этом донор становится положительно заряженным (катион), а акцептор – отрицательно заряженным (анион).

Собственно химическая связь формируется за счет связывающей оболочки (перекрывания двух спаренных электронов одного из атомов внешней свободной орбиталью другого) и электростатической притяжения, возникающего между катионом и анионом. Таким образом, в семиполярной связи сочетаются ковалентный и ионный типы. Полуполярная связь характерна для d-элементов, которые в разных соединениях могут играть роли и акцептора, и донора. В большинстве случаев она встречается в комплексных и органических веществах.

Примеры дативной связи

Самый простой пример – молекула хлора. Один атом Cl отдает пару электронов другому атому хлора, у которого есть свободная d-орбиталь. При этом один атом Cl заряжается положительно, другой – отрицательно, и между ними возникает электростатическое притяжение. Из-за большой длины дативная связь имеет меньшую прочность в сравнении с ковалентной обменного и донорно-акцепторного типа, но ее наличие повышает прочность молекулы хлора. Именно поэтому молекула Cl₂ более прочна, чем F₂ (у атома фтора нет d-орбиталей, связь фтор-фтор только ковалентная обменная).

Молекула монооксида углерода CO (угарный газ) образована за счет трех связей C-O. Поскольку у атомов кислорода и углерода на внешнем уровне имеется по два одиночных электрона, между ними формируется две ковалентные обменные связи. После этого у атома углерода остается вакантная орбиталь, у атома O — две пары электронов на внешнем уровне. Поэтому в молекуле монооксида углерода (II) есть третья связь – семиполярная, формирующаяся за счет двух валентных спаренных электронов кислорода и свободной орбитали углерода.

Рассмотрим более сложный пример — образование данного вида связи на примере взаимодействия диметилового эфира (Н3С-О-СН₃) с хлоридом алюминия AlCl₃. Атом кислорода в диметиловом эфире связан двумя ковалентными связями с метильными группами. После этого у него остается еще два электрона на p-подуровне, которые он отдает атому-акцептору (алюминий) и становится положительным катионом. При этом атом-акцептор приобретает отрицательный заряд (превращается в анион). Катион и анион электростатически взаимодействуют друг с другом.

Значение донорно-акцепторной связи

Механизм образования донорно-акцепторной связи имеет важное значение в жизни человека и широко распространен в химических соединениях как органической, так и неорганической природы, что подтверждают рассмотренные выше примеры. Нашатырный спирт, в составе которого есть катион аммония, успешно применяется в быту, медицине и промышленном производстве удобрений. Ион гидроксония играет главную роль в растворении кислот в воде. Угарный газ применяется в промышленности (например, при производстве удобрений, лазерных систем) и имеет огромное значение в физиологических системах организма человека.

Что такое донорно акцепторная связь

Согласно квантовомеханической теории ковалентная связь возникает в результате взаимодействия электронов с антипараллельными спинами

Можно представить себе такой случай, когда связующая пара электронов поступает в общее пользование только от одного из взаимодействующих атомов, например от атома А (донор неподеленной пары электронов) к В (акцептор неподеленной пары электронов):

А: + В→А:В

Донорно акцепторная связь в аммиаке

Связь, осуществляющаяся за счет не поделенной пары электронов одного атома и свободных подуровней (орбиталей) второго атома, называется донорно акцепторной. Она часто встречается как в органических, так и в неорганических соединениях. Рассмотрим конкретный случай образования донорно акцепторной связи на примере взаимодействия аммиака с хлороводородом.

Молекула аммиака имеет пирамидальное строение, однако ее можно рассматривать и как тетраэдр, в одной из вершин которого находится не поделенная пара электронов. В молекуле НСl электронное облако, осуществляющее связь между атомами, смещено в сторону более электроотрицательного хлора, в результате чего на атоме водорода появляется положительный заряд δ⁺.

При сближении молекул NH₃ и НСl они ориентируются друг относительно друга своими противоположно заряженными частями:

Облако не поделенной пары электронов атома азота вытягивается по направлению к положительно заряженному атому водорода, и между ними возникает химическая связь

В образовавшемся катионе аммония NH⁺₄ все четыре связи N—Н равноценны и он имеет строение правильного тетраэдра. Аналогично происходит образование катиона гидроксония Н₃О⁺ в водных растворах кислот:

В рассмотренных примерах атомы кислорода и азота, входящие в состав молекул воды и аммиака, оказались донорами не поделенной пары электронов, а ион Н⁺ — ее акцептором. В общем случае донором электронной пары может быть лишь тот атом, который окружен октетом электронов, а акцептором этой пары — атом, имеющий свободные подуровни.

Примеры образования связи

Так, атом бора в соединении BF₃ имеет незаполненный 2р-подуровень и поэтому легко присоединяет отрицательно заряженный ион фтора, образуя комплексный анион BF₄^—:

Из-за отсутствия свободных d-подуровней в атомах углерода его свойства отличаются от свойств ближайшего аналога — кремния. В то время как молекула CF₄ является электроно-насыщенной, в соединении SiF₄ у атомов кремния остается незаполненным 3d-подуровень. Молекула SiF₄ легко присоединяет два иона F^—, образуя двухзарядный гексафторидсилиций анион SiF₆^2-. Электронное строение атома кремния в этом анионе можно представить в виде следующей схемы:

Анион SiF₆^2- имеет октаэдрическое строение, причем все шесть связей Si—F равноценны. Это объясняется sp³d2-гибридизацией:

Особую склонность к образованию донорно акцепторных связей проявляют в качестве акцептора переходные d-элементы четвертого периода, стремящиеся заполнить близкие по энергии 3_d— 4_s— и 4_р-подуровни.

Статья на тему Донорно акцепторная связь

Понравилась статья поделись ей

Всего: 166    … 21–40 | 41–60 | 61–80 | 81–100 | 101–120 | 121–140 | 141–160 | 161–166

Добавить в вариант

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

Всего: 166    … 21–40 | 41–60 | 61–80 | 81–100 | 101–120 | 121–140 | 141–160 | 161–166