Природа химической связи

Условия образования химической связи – перекрывание электронных облаков (орбиталей) взаимодействующих атомов, чем больше степень перекрывания электронных орбиталей, тем более прочная химическая связь образуете при этом.

 

В зависимости от перекрывания электронных орбиталей, от расположения их в пространстве молекулы, ковалентные связи делятся на: сигма (σ) и пи (π) связи:

Признак	сигма (σ)	пи (π)
Вид перекрывания электронных орбиталей	Осевое перекрывание вдоль линии связи, соединяющей ядра атомов	Боковое перекрывание p-электронных орбиталей внешней связи. p-орбитали расположены параллельно друг к другу
Степень перекрывания	Значительная	Незначительная
Прочность химической связи	Очень прочная	Слабая
Способность к химическим реакциям	Низкая	Высокая
Положение химической связи в пространстве молекулы	В плоскости молекулы	Перпендикулярно плоскости σ-связи
Способность вращения атомов относительно связи	Свободное вращения	Отсутствие свободного вращения
Орбитали чувствующие в гибридизации	Гибридные орбитали s и p	p-p орбитали не чувствуют в гибридизации

       I.           Гибридизация

Это выравнивание или смещение орбиталей, находящихся на разных подуровнях, различной формы и энергии, в результате которого образуется новые равноценные гибридные орбитали одинаковой формы и энергии.

 

Объяснение этого факта впервые дал американский химик Лайнус Полинг.

Ввиду относительной близости значений энергии 2s- и 2р-электронов, эти электроны могут взаимодействовать между собой в ходе образования химической связи с электронами другого атома, давая четыре новых равноценных гибридных электронных облака.

Атом С в органических соединениях может находиться в трех валентных состояниях. Этим валентным состояниям соответствуют различные типы гибридизации электронных орбиталей атома углерода.

Модель атома углерода

Валентные электроны атома углерода располагаются на одной 2s-орбитали и двух 2р-орбиталях. 

лектронная формула атома углерода в основном (стационарном) состоянии 1s²2s²2p² указывает на то, что внешние электроны углерода неодинаковы: s-электрон имеет орбиталь  в виде шара, р-электроны – в виде объемных восьмерок,  расположенных под углом 90⁰ друг к другу.

Если бы такое различие существовало, то у четырехвалентного углерода должна была бы наблюдаться неравноценностей связей. На самом же деле все четыре связи равноценны.

Да и сама четырехвалентность углерода не согласуется с приведенной выше электронной формулой: ведь валентность равна числу неспаренных внешних электронов, которых в приведенной формуле только два.

 

Объясняется это противоречие следующим образом. При образовании связей атом углерода переходит в возбужденное состояние, один из двух s-электронов перемещается на свободную 2р-орбиталь, приобретая электронную конфигурацию 1s²2s¹2p³.  Атом углерода в возбужденном состоянии обладает четырьмя неспаренными электронами: одним s-электроном и тремя p-электронами.

 

 

 

Переход атома углерода из основного состояния в возбужденное.

Число образующихся гибридных орбиталей = числу исходных орбиталей, участвующих в гибридизации.

 

Пример:

                                                                                              

 В зависимости от перекрывания орбиталей, от того сколько сига и пи-связей образует атом углерода, в нем происходит гиридизация орбиталей того или иного типа. В зависимости от типа гибридизации атомы углерода могут находиться в 3ех валентных состояниях

 

Количество гибридных орбиталей = количеству сигма-связей; количество не гибридных p-орбиталей = количеству пи-связей.

1ое валентное состояние атома С или sp³ гибридизация

sр3-гибридизация - это смешение одной 2s- и трех 2р-орбиталей и образование из них  четырех новых одинаковых орбиталей, каждая из которых на одну четверть сохраняет свойства s-­орбитали и на три четверти — свойства р-­орбиталей.

Гибридные орбитали расположены в пространстве молекул под углом 109⁰ 28` - форма молекул тетраэдер

Встречается в предельных органических веществах в одинарной сигма-связи.

 

2ое ВАЛЕНТНОЕ СОСТОЯНИЕ ИЛИ SР²-ГИБРИДИЗАЦИИЯ

 

При sр²-гибридизациии участвуют одна 2s- и две 2р-орбитали, образуя три sр²-гибридных облака. Эти sр²-орбитали расположены в одной плоскости под углом 120⁰ друг к другу и направлены к вершинам треугольника. Не гибридная p-орбиталь расположена перпендикулярна плоскости гибридных орбиталей.

В непредельных углеводородах ряда этилена два атома углерода, находящиеся в состоянии  sр²-гибридизации стоят всегда рядом. Между ними за счет обычного линейного перекрывания sр²-гибридных орбиталей возникает ковалентная связь (σ-связь).

Одна p­-орбиталь остается негибридизованной и располагается перпендикулярно плоскости sр–гибридных орбиталей. Верхняя половина р-орбитали находится над плоскостью, нижняя половина – под плоскостью.

Вторая связь также образуется между двумя углеродными атомами. Связь образуется в результате бокового перекрывания краев негибридизованных 2р­орбиталей и называется π­-связью.

 

Перекрывание негибридизованных 2р-­орбиталей

	Перекрывание негибридизованных 2р-­орбиталей

  

3ее ВАЛЕНТНОЕ СОСТОЯНИЕ ИЛИ SР-ГИБРИДИЗАЦИЯ

 

2е гибридные орбитали расположены в пространстве под углом 180 (линейно), а 2е негибридные пи-орбитали взаимно перпендикулярны друг другу.

 

Встречается в органических веществах с тройной связью

 

Образование двух sр­-гибридных орбиталей

Соединяясь, два атома углерода в состоянии sр-гибридизации образуют одну σ-связь и две π-­связи. Одна σ-связь и две π-­связи между атомами углерода вместе образуют тройную связь. И наконец, происходит образование σ-связи между атомами водорода и углерода. Молекула ацетилена имеет линейное строение, все четыре атома лежат на одной прямой.

 

Электронные орбитали атомов углерода в молекуле ацетилена 

Образование сигма- и пи-связей в молекуле ацетилена