Химическая связь

 

 

1. Виды химической связи: ионная, металлическая, ковалентная (полярная и неполярная).

Химические элементы встречаются в природе главным образом не в виде отдельных атомов, а в виде сложных или простых веществ. Лишь благородные газы находятся в природе в атомном состоянии. Во всех других простых и сложных веществах атомы связаны химическими силами. Существует несколько типов химической связи, важнейшие из них - ковалентная, ионная и металлическая.

Ковалентная связь.

Простейший пример ковалентной связи - образование молекулы водорода Н₂. Атомы водорода имеют электронную оболочку 1s¹ . При сближении двух атомов водорода происходит взаимодействие электронов с формированием общей электронной пары:

S                       S

H *      +   * H ------> H**H  (H₂)

Общую электронную пару или ковалентную связь часто обозначают Н--Н.

Общая электронная пара образуется в результате перекрывания s- орбиталей атомов водорода.

Рассмотрим возникновение ковалентной связи в молекуле фтора.Атом фтора имеет семь электронов на внешнем энергетическом уровне, причем на 2р- подуровне находится один неспаренный электрон: ₉F         1s²2s²2p⁵

При сближении двух атомов фтора происходит перекрывание 2р-орбиталей с неспаренными электронами, в результате формируется общая электронная пара:

F* + *F ---> F* *F или F-- F

У каждаго атома фтора в молекуле F₂ сохраняется три неподеленные электронные пары.Существуют молекулы, в которых между двумя атомами возникают две или три общие электронные пары. Такие ковалентные связи называют двойными и тройными, а общее их название - кратные связи. Например, в образовании химической связи в молекуле азота N₂ участвуют по три электрона каждого атома азота.

N

Химичекая связь называется ковалентной, если осуществляется одной или несколькими общими электронными парами.

Важнейшие характеристики ковалентной связи. Характеристиками химической связи, в том числе ковалентной, являются ее полярность, энергия и длина. Особое свойство ковалентной связи - ее направленность.

Если общая электронная пара симметрична относительно атомов, то ковалентная связь называется неполярной. Неполярная ковалентная связь обычно образуется при взаимодействии атомов одного вида. Неполярная связь существует в молекулах Н₂, О₂, F₂, N₂.

Если атомы имеют различную электроотрицательность (атомы разных элементов), то общая электронная пара смещена к атому с большей электроотрицательностью. В этом случае возникает полярная ковалентная связь. Например, полярной является связь в молекуле фтороводорода HF. При образовании молекулы происходит перекрывание s-орбитали атома водорода и р-орбитали атома фтора.

H*   + *F   ----> H**F H-->F

В результате смещения электронной пары в молекуле фтороводорода возникает диполь. Диполь - это система из двух зарядов, равных по абсолютной величине, но противоположных по знаку. Принимают, что атом, к которому смещена общая пара, приобретает некоторый отрицательный заряд, а другой атом - положительный заряд.

Прочность химической связи характеризуется энергией связи,т.е. энергией, необходимой для разрыва связи.

Донорно- акцепторный механизм образования ковалентной связи. Ковалентная связь может образовываться при перекрывании полностью свободной орбитали одного атома и орбитали с неподеленной электронной парой другого атома.

А          +    :Д  =          А:Д      или А-- Д

свободная           неподеленная

орбиталь             эл. пара

В этом случае формируется общая электронная пара, только вклад каждого атома в химическую связь различен. Атом А предоставляет свободную орбиталь и называется акцептором. Атом Д предоставляет электронную пару и является донором. Такой механизм образования связи называется донорно- акцепторным.

Примером м.б. образование катиона аммония из иона водорода и молекулы аммиака.

Н⁺    +:NH₃  =       [NH₄]⁺

акцептор     донор

Все четыре связи в катионе аммония равноценны.

 

Ионная связь.

Если разность между электроотрицательностями взаимодействующих атомов большая, то происходит переход атома к атому с большей электроотрицательностью.

Например, при взаимодействии атома натрия с атомом фтора:

Na - e^- -----> Na⁺

F +e^{-  ---------}>   F^-

----------------------------------

Na + F ---------> Na⁺ + F^-

Образующиеся заряженные частицы называются ионами.

Химическая связь, образованная за счет электростатического взаимодействия ионов, называют ионной связью. Ее можно считать предельным случаем полярной ковалентной связи.

Химические соединения, в которых присутствует ионная связь, называются ионными. все ионные соединения в твердом состсянии являются кристаллическими веществами.

 

 

Металлическая связь.

Большинство металлов в твердом состоянии относится к кристаллическим веществам. Атомы металлов характеризуются тремя отличительными особенностями:

· они имеют 1-3 электрона на внешнем энергетическом уровне.

· их сравнительно большой радиус

· атомы металлов имеют большое количество свободных орбиталей

При сближении атомов металлов их свободные орбитали могут перекрываться, и валентные электроны получают возможность перемещаться с орбитали одного атома на свободные орбитали другого. В результате этого в металле формируется совокупность свободных электронов, которые непрерывно перемещаются между ионами. Такие подвижные электроны называютя обобществленными или электронным газом. Поэтому металл можно представить как структуру, состоящую из атомов металла, расположенных в узлах кристаллической решетки, которые удерживаются за счет обобществленных электронов.

Металлическая связь обусловлена образованием электронами всех атомов вещества единого подвижного электронного облака.

Металлическая кристаллическая решетка и металлическая связь обуславливают все наиболее характерные свойства металлов: ковкость, пластичность, тягучесть, электро - и теплопроводность, металлический блеск, способность образовывать сплавы.

Пластичность - это способность металлов сминаться (расплющиваться) при ударе или вытягиваться в проволоку под действием силы.

Высокая электрическая проводимость металлов обусловлена наличием свободных электронов.

Лучшими проводниками электрического тока являются серебро и медь.Хуже всего проводят электрический ток вольфрам и тугоплавкие металлы. Электрическое сопротивление вольфрама настолько велико, что он начинает светится при прохождении через него тока, сто используют для изготовлении ламп накаливания.

Теплопроводность объясняется высокой подвижностью электронов.

Металлический блеск является результатом отражения световых лучей.

Сплавы металлов обладают другими, более высокими полезными свойствами, чем составляющие их чистые металлы.

Химические связи между молекулами.

Химические связи могут возникать не только между атомами, но и молекулами.

Сильным межмолекулярным взаимодействием является водородная связь, которая возникает между молекулами, в состав которых входят атомы водорода и элементов с высокой электроотрицательностью (фтор, хлор, кислород, азот). Молекулы, образованные этими атомами образуют диполи. Такие диполи взаимодействуют между собой, образуя водородные связи.

 

2. Взаимосвязь между важнейшими классами органических соединений,

Вопрос второй: Взаимосвязь между важнейшими классами органических соединений.

1. Классы органических соединений.

2. Общие свойства химических веществ: общность состава (С,Н,О,N), валентность углерода, способность к горению в кислороде, структурные формулы, изомеризация, полимеризация.

3. Примеры химических реакций, подтверждающих получение одних веществ из других.

4. Эволюция органических соединений от метана до белков.

5. Выводы: генетическая связь между органическими веществами.

 

 Классификация органических соединений имеет большое научное и практическое значение. В основу классификации положено химическое строение молекул. Важнейшим структурным элементом органических молекул являются углеродные цепи.

В зависимости от строения углеродной цепи различают ациклические и циклические органические соединения.

Ациклические соединения.

Эти соединения называют алифатическими. Их молекулы содержат незамкнутые (открытые) цепи из атомов углерода.

Если все связи между атомами углерода одинарные, то такие соединения называют предельными или насыщенными.

Ациклические соединения, в молекулах которых атомы углерода связаны двойными и тройными связями, являются непредельными или ненасыщенными.

Циклические соединения.

В этих соединениях цепи из атомов углерода и других элементов замкнуты в кольца (циклы).

Если циклы содержат только атомы углерода, то соответствующие соединения называют карбоциклическими.

В особую группу карбоциклических веществ составляют ароматические соединения. В состав их молекул входят так называемые бензольные кольца. Простейшим ароматическим соединением является бензол.

Кроме атомов углерода в циклы могут входить атомы других элементов. Соединения, построенные из таких циклов, называются гетероциклическими.

Классификация органических соединений может быть произведена на основе состава молекул.

Органические соединения, молекулы которых состоят только из атомов углерода и водорода, называются углеводородами.

Большинство органических соединений кроме атомов углерода и водорода содержат атомы других элементов:

галогенпроизводные, спирты, фенолы, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, нитросоединения, амины.

У органических соединений есть несколько характерных особенностей, отличающих их от неорганических.

В молекулах органических соединений углерод может быть соединен практически с любым химическим элементом.

За малым имключением, все органические вещество горят или легко разлагаются при нагревании с выделением углекислого газа (СО₂). Это определяющее свойство органических веществ. Если при горении вещества не образуется углекислый газ, то такое вещество не относится к органическим.

Среди органических соединений распространено явление изомерии - существование различных веществ с одинаковым качественным и количественным составом.

 В неорганической химии структурные формулы используются редко, а в органической химии без них обойтись никак нельзя.

Молекулы большинства органических веществ не способны диссоциировать на устойчивые ионы.

Реакции с участием органических веществ протекают медленнее неорганических.

Углерод в органических соединениях всегда четырехвалентен.

Непредельные углеводороды полимеризуются, образуя ВМС (высокомолекулярные соединения).

Генетическую связь между органическими соединениями можно проследить по схемам реакций:

а. С₂Н₆ -----> C₂H₅Br -----> C₂H₅OH -----> CH₃-COH -----> CH₃COOH

б. СН₄ -----> С₂Н₂ -----> С₂Н₄ -----> С₂Н₅ОН -----> СН₃СОН ----->

    -----> СН₃СООН -----> СН₃СООС₃Н₇.

в. С -----> СН₄ -----> С₂Н₂ -----> СН₃СОН -----> СН₃СООН ----->

CL-СН₂СООН -----> NH₂CH₂COOH -----> H₂N-CH₂-CO-NH-CH₂COOH

Такие схемы подтверждают взаимосвязь всех органических соединений, усложнение состава вещества, развитие веществ природы от простого к сложному (от метана до сложных белков).