2.1. Модели молекул. Ковалентная химическая

связь

Рассмотрим молекулярные структуры с присущими им ковалентными связями.

Ковалентная связьобусловлена электромагнитным взаимодействием, удерживающим положительно заряженные ядра отрицательным зарядом, сосредоточенным в области перекрывания атомных орбиталей.

В атомах число атомных орбиталей, принимающих участие в образовании ковалентных связей, ограничено, следовательно для образования ковалентных связей характерна насыщаемость. Так, в молекуле Н₂(НН) одна ковалентная связь между атомами водорода, и невозможно молекулярное образование Н₄ в силу того обстоятельства, что пара электронов, участвующая в образовании ковалентной связи, заняла двеs-орбитали, а в соответствии с принципом запрета Паули больше двух электронов с противоположными спинами на перекрывающихся орбиталях быть не может.

В атоме кислорода во внешней электронной оболочке две орбитали содержат по одному неспаренному электрону. Они принимают участие в образовании двух расположенных под некоторым углом друг к другу ковалентных связей в молекуле воды. Следовательно, ковалентные связи характеризуются не только насыщаемостью, но и направленностью.

Молекула – микросистема, состоящая из двух или большего числа ядер и электронов, движущихся в поле ядер, и содержащая ковалентные связи.

На рис. 8 представлены структурные модели молекул.

Структурные Молекулярные

формулы формулы

l_св

НН Н₂

FF F₂

HF HF

HS H₂S

90⁰ 

Н

l_св

l_св

Рис. 8. Модели молекул H₂ и F₂ с неполярными ковалентными связями и HF и Н₂S с полярными ковалентными связями. В атомах фтора и серы изображены соответственно только внешние 2р и 3р-орбитали

Область перекрывания атомных орбиталей несет отрицательный заряд (δ^), удерживающий положительно заряженные ядра на расстоянии, соответствующем длине химической связи (l_св).

Длина ковалентной связи – это расстояние между ядрами ковалентно связанных атомов молекулы.

Пара электронов ⇅, участвующая в образовании ковалентной связи (валентные электроны от лат.valentiа– сила), принадлежит обоим атомам.

В молекулах водорода Н₂и фтораF₂распределение электронной плотности симметрично относительно ядер. Зона перекрывания атомных орбиталей расположена между ядрами атомов. В них электронная пара в равной степени принадлежит обоим атомам. Такую ковалентную связь называют неполярной. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов таких молекул совпадают. Это молекулы недиполи.

В молекулах фтороводорода HFи сероводородаH₂Sзоны перекрывания атомных орбиталей несимметрично расположены между ядрами атомов. Электронная плотность в большей степени смещена к ядру атома фтора вHFи к ядру атома серы вH₂S. Такие ковалентные связи называют полярными.

2.2. Гибридизация, - и -связи

На рис. 9 представлена молекула метана СН₄с ковалентными-связями.Ковалентная -связь образуется между атомами при перекрывании орбиталей вдоль линии, проходящей через ядра атомов.

Рассмотрим структуру пятиатомной молекулы метана СН₄. Четыре ковалентных связи (темные линии) расположены в пространстве симметрично (рис. 9). Если атом углерода поместить в центре тетраэдра, то химические связи, соединяющие атом углерода с атомами водорода, направленны к его вершинам. Как могли образоваться четыре равноценные связи в метане при наличии в атоме углерода двух электронов, расположенных на 2р-орбиталях, напоминающих по форме спортивные гантели, и двух электронов на сферической 2s-орбитали?

Это возможно, если атом углерода переходит из основного 1s²2s²2p² в возбужденное состояние 1s²2s¹2p³, перестраивая внешние электронные оболочки (рис. 10). На рис. 11 показано sp³ гибридное состояние атома углерода в молекуле метана.

Рис. 9. Модель молекулы метана. Угол  между С—Н связями составляет 109.28⁰

Рис. 10. Распределение электронов по энергетическим уровням

(квантовым ячейкам) в атоме углерода: основное состояние С и возбужденное состояние С*

Гибридизация представляет собой способ описания перестройки атомных орбиталей в молекуле по сравнению со свободным атомом. Эта идея принадлежит выдающимся физикам Л. Полингу и Д. Слэтеру.

Атом углерода в основном состоянии

Атом углерода в sp³ гибридном состоянии

Метан, СН₄

Рис. 11. Состояние атома углерода (sp³ гибридизация) в молекуле метана

Гибридизация позволяет объяснить существование не только одинарных, но двойных и тройных связей между атомами. В молекуле метана (рис. 11 и 12 а) sp³-гибридизация атома углерода обеспечивает расположение ковалентных -связей под углом 109.28⁰.

В молекуле этилена атом углерода существует в sp² гибридном состоянии. Три sp²-гибридные орбитали углерода расположены в одной плоскости под углом 120⁰ и одна р-орбиталь перпендикулярна плоскости. В молекуле этилена Н₂С=СН₂ между атомами углерода образуется двойная связь: одна –  (сигма)-связь, вторая –  (пи)-связь (рис. 12, б). -Связь между атомами осуществляется таким образом, что образуются две области перекрывания р-орбиталей по обе стороны от оси -связи.

В молекуле ацетилена НС≡СН, имеющей тройную химическую связь, атомы углерода находятся в состоянии sр-гибридизации. В атомах углерода ацетилена существуют две взаимно перпендикулярныер-орбитали и двеsp-гибридных орбитали, находящиеся под углом 180⁰(рис. 12,в).

а) б) в)

Рис. 12. Положение - и -связей в молекулах метана, этилена и ацетилена; -связи представлены линиями, -связи – перекрыванием р-орбиталей