Электроотрицательность (ЭО) — это способность атомов притягивать электроны при связывании с другими атомами.

Электроотрицательность зависит от расстояния между ядром и валентными электронами, и от того, насколько валентная оболочка близка к завершенной. Чем меньше радиус атома и чем больше валентных электронов, тем выше его ЭО.

Фтор является самым электроотрицательным элементом. Во-первых, он имеет на валентной оболочке 7 электронов (до октета недостает всего 1-го электрона) и, во-вторых, эта валентная оболочка (…2s 2 2p 5) расположена близко к ядру.

Менее всего электроотрицательны атомы щелочных и щелочноземельных металлов. Они имеют большие радиусы и их внешние электронные оболочки далеки от завершения. Им гораздо проще отдать свои валентные электроны другому атому (тогда предвнешняя оболочка станет завершенной), чем «добирать» электроны.

Электроотрицательность можно выразить количественно и выстроить элементы в ряд по ее возрастанию. Наиболее часто используют шкалу электроотрицательностей, предложенную американским химиком Л. Полингом.

Разность электроотрицательностей элементов в соединении (ΔX ) позволит судить о типе химической связи. Если величина Δ X = 0 – связь ковалентная неполярная .

При разности электроотрицательностей до 2,0 связь называют ковалентной полярной , например: связь H-F в молекуле фтороводорода HF: Δ X = (3,98 — 2,20) = 1,78

Связи с разностью электроотрицательностей больше 2,0 считаются ионными . Например: связь Na-Cl в соединении NaCl: Δ X = (3,16 — 0,93) = 2,23.

Степень окисления

Степень окисления (СО) — это условный заряд атома в молекуле, вычисленный в предположении, что молекула состоит из ионов и в целом электронейтральна.

При образовании ионной связи происходит переход электрона от менее электроотрицательного атома к более электроотрицательному, атомы теряет свою электронейтральность, превращается в ионы. возникают целочисленные заряды. При образовании ковалентной полярной связи электрон переходит не полностью, а частично, поэтому возникают частичные заряды (на рисунке ниже HCl). Представим, что электрон перешел полностью от атома водорода к хлору, и на водороде возник целый положительный заряд +1, а на хлоре -1. такие условные заряды и называют степенью окисления.

На этом рисунке изображены степени окисления, характерные для первых 20 элементов.
Обратите внимание. Высшая СО как правило равна номеру группы в таблице Менделеева. У металлов главных подгрупп – одна характерная СО, у неметаллов, как правило, наблюдается разброс СО. Поэтому неметаллы образуют большое количество соединений и обладают более «разнообразными» свойствами, по сравнению с металлами.

Примеры определения степени окисления

Определим степени окисления хлора в соединениях:

Те правила, которые мы рассмотрели не всегда позволяют рассчитать СО всех элементов, как например в данной молекуле аминопропана.

Здесь удобно пользоваться следующим приемом:

1)Изображаем структурную формулу молекулы, черточка – это связь, пара электронов.

2) Черточку превращаем в стрелку, направленную к более ЭО атому. Эта стрелка символизирует переход электрона к атому. Если связаны два одинаковых атома, оставляем черту как есть – нет перехода электронов.

3) Считаем сколько электронов «пришло» и «ушло».

Например, посчитаем заряд первого атома углерода. Три стрелки направленны к атому, значит, 3 электрона пришло, заряд -3.

Второй атом углерода: водород отдал ему электрон, а азот забрал один электрон. Заряд не поменялся, равен нулю. И т.д.

Валентность

Вале́нтность (от лат. valēns «имеющий силу») - способность атомов образовывать определённое число химических связей с атомами других элементов.

В основном, под валентностью понимается способность атомов к образованию определённого числа ковалентных связей . Если в атоме имеется n неспаренных электронов и m неподелённых электронных пар, то этот атом может образовывать n + m ковалентных связей с другими атомами, т.е. его валентность будет равна n + m . При оценке максимальной валентности следует исходить из электронной конфигурации «возбуждённого» состояния. Например, максимальная валентность атома бериллия, бора и азота равна 4 (например, в Be(OH) 4 2- , BF 4 — и NH 4 +), фосфора - 5 (PCl 5), серы - 6 (H 2 SO 4), хлора - 7 (Cl 2 O 7).

В ряде случаев, валентность может численно совпадать со степенью окисления, но ни коим образом они не тождественны друг другу. Например, в молекулах N 2 и CO реализуется тройная связь (то есть валентность каждого атома равна 3), однако степень окисления азота равна 0, углерода +2, кислорода −2.

Электроотрицательность - это характеристика атома, показывающая, насколько высока его способность притягивать к себе электроны. Когда химическая связь образована двумя разными элементами, электроны у одного из них всегда расположены более плотно, чем у другого. Тот атом, у которого электронная плотность выше, называется электроотрицательным, тот, у кого ниже - соответственно, электроположительным.

Существует несколько шкал, ориентируясь на которые, можно определить электроотрицательность того или иного элемента. Попробуем их перечислить:

1. Таблица Менделеева.
2. Шкала Малликена.
3. Шкала Полинга.
4. Шкала Олреда-Рохова.

Чтобы определить параметр «электроотрицательность» по таблице Менделеева, нужно всего лишь знать, что наиболее электроотрицательные свойства имеют те элементы, которые располагаются вверху таблицы и в правой ее части. То есть, чем выше и правее э лемент находится в таблице Менделеева, тем выше у него электроотрицательность и наоборот, чем ниже и левее - тем выше у него электроположительность.

Шкала Полинга - наиболее часто используемая таблица электроотрицательности. Названа она в честь американского химика Лайнуса Полинга, который впервые ввел понятие электроотрицательности. Согласно шкале Поллинга, электроотрицательность всех имеющихся в природе элементов лежит в интервале от 0,7 (таковой она является у щелочного металла франция) до 4,0 (у газа-галогена фтора). В таблице приводятся относительные и неточные величины.

Шкала Малликена рассматривает электроотрицательность как величину энергии связи между валентными электронами. Приводятся максимально точные расчеты.

Расположение элементов в каждой из таблиц является идентичным, несмотря на то, что методы определения отличаются друг от друга, и величины тоже.

Самые высокие значения электроотрицательности

Фтор, один из галогенов - это элемент, обладающий наивысшей электроотрицательностью, а точнее - 3,98. Его химическая активность невероятно высока, настолько, что химики называют его не иначе как «все разгрызающий» .

Следом за фтором идет кислород. Электроотрицательность кислорода немного пониже - 3,44, но тоже достаточно высока.

Следом за ними (спускаясь все ниже по правой части таблицы Менделеева) идут:

• хлор (3,16);
• азот (3,04);
• бром (2,96);
• йод (2,66);
• ксенон (2,60);
• и так далее.

Большая часть неметаллов имеет электроотрицательность, колеблющуюся между значениями 2 и 3. У отличающихся наиболее высокой активностью металлов, от франция до бериллия, она колеблется от значения 0,7 до 1,57.

Как определить валентные электроны

Валентностью называют способность атома вступать во взаимодействие с другими атомами, образуя с ними определенные химические связи. Валентными электронами именуются электроны, непосредственно участвующие в образовании химической связи. Основными создателями, внесшими в теорию валентности наибольший вклад, являются русский ученый Бутлеров и немецкий ученый Кекуле. Электроны, которые принимают участие в образовании химической связи, называют валентными.

Атом, как мы все знаем из школьного курса, устроен таким образом, что довольно-таки напоминает по своему устройству Солнечную систему. В центре атома находится огромное ядро, чья масса чуть менее, чем полностью равняется массе всего атома, а вокруг него по орбиталям вращаются мелкие электроны, неодинаковые по своим внутренним характеристикам. Ядро атома окажется не таким уж и большим, если сравнить его размеры с длиной расстояния до орбиталей, по которым вращаются атомы. Чем дальше от ядра и чем ближе к внешней электронной оболочке находится электрон конкретно взятого атома, тем быстрее он вступает во взаимодействие с электронами других атомов.

Итак, перед нами таблица Менделеева. Найти на ней нужно третий период. Последовательно перебираем элементы главных подгрупп в нем. Существует правило, согласно которому валентность элемента определяется по номеру его группы и равняется количеству электронов на внешней оболочке его атома.

• У щелочного металла натрия на внешней оболочке всего только один электрон, принимающий участие в химической связи между элементами. Исходя из этого, мы определяем, что он одновалентен.
• У щелочноземельного металла на внешней оболочке уже два электрона. Это означает, что его валентность равна двум.
• У амфотерного металла алюминия ровно три электрона на внешней оболочке. Его валентность так же, как и у предыдущих элементов, соответствует этому числу.
• У кремния четыре электрона, он четырехвалентен.
• Фосфор может образовывать различные связи и иметь разные валентности, но высшая валентность фосфора равна пяти.
• Сера точно так же, как и фосфор, может иметь разные валентности, но высшая равняется шести.
• Возьмем хлор. Когда, к примеру, он состоит в молекуле соляной кислоты (HCl), он находится в одновалентном состоянии. А вот в молекуле хлорной кислоты (HClO4) он сразу же становится семивалентным.

Помимо главных, есть еще и побочные подгруппы. Когда дело касается их, учитываются еще и d-электроны на предыдущем подуровне. В таблице Менделеева все эти значения легко можно отыскать. Попробуем определить высшую валентность хрома. На внешнем уровне у хрома находится 1 электрон, на d-подуровне - 5. Следовательно, его высшая валентность равна 6. У марганца на внешнем уровне 2 электрона, на d-подуровне - 5. Значит, его высшая валентность - 7.

Все вышеописанное, за некоторыми исключениями, действительно для элементов всех других побочных подгрупп (помимо тех, в которые включены марганец и хром). Вот исключения:

• кобальт;
• платина;
• палладий;
• родий;
• иридий.

Видео

Это видео поможет вам лучше усвоить такое понятие, как электроотрицательность.

Не получили ответ на свой вопрос? Предложите авторам тему.

В химии широко применяется понятие электроотрицательности (ЭО) — свойство атомов данного элемента оттягивать на себя электроны от атомов других элементов в соединениях называют электроотрицательностью. Электроотрицательность лития условно принимается за единицу, ЭО других элементов вычисляют соответственно. Имеется шкала значений ЭО элементов.

Числовые значения ЭО элементов имеют приблизительные значения: это безразмерная величина . Чем выше ЭО элемента, тем ярче проявляются его неметаллические свойства. По ЭО элементы можно записать следующим образом:

F > O > Cl > Br > S > P > C > H > Si > Al > Mg > Ca > Na > K > Cs

Наибольшее значение ЭО имеет фтор. Сопоставляя значения ЭО элементов от франция (0,86) до фтора (4,1), легко заметить, что ЭО подчиняется Периодическому закону. В Периодической системе элементов ЭО в периоде растет с увеличением номера элемента (слева направо), а в главных подгруппах - уменьшается (сверху вниз). В периодах по мере увеличения зарядов ядер атомов число электронов на внешнем слое увеличивается, радиус атомов уменьшается, поэтому легкость отдачи электронов уменьшается, ЭО возрастает, следовательно, усиливаются неметаллические свойства.

Разность электроотрицательностей элементов в соединении (ΔX) позволит судить о типе химической связи.

Если величина Δ X = 0 – связь ковалентная неполярная.

При разности электроотрицательностей до 2,0 связь называют ковалентной полярной , например: связь H-F в молекуле фтороводорода HF: Δ X = (3,98 – 2,20) = 1,78

Связи с разностью электроотрицательностей больше 2,0 считаются ионными. Например: связь Na-Cl в соединении NaCl: Δ X = (3,16 – 0,93) = 2,23.

Электроотрицательность зависит от расстояния между ядром и валентными электронами, и от того, насколько валентная оболочка близка к завершенной. Чем меньше радиус атома и чем больше валентных электронов, тем выше его ЭО.

Фтор является самым электроотрицательным элементом . Во-первых, он имеет на валентной оболочке 7 электронов (до октета недостает всего 1-го электрона) и, во-вторых, эта валентная оболочка расположена близко к ядру.

Менее всего электроотрицательны атомы щелочных и щелочноземельных металлов. Они имеют большие радиусы и их внешние электронные оболочки далеки от завершения. Им гораздо проще отдать свои валентные электроны другому атому (тогда предвнешняя оболочка станет завершенной), чем “добирать” электроны.

Электроотрицательность можно выразить количественно и выстроить элементы в ряд по ее возрастанию. Наиболее часто используют шкалу электроотрицательностей, предложенную американским химиком Л. Полингом.

Степень окисления

Сложные вещества, состоящие из двух химических элементов, называют бинарными (от лат. би - два), или двухэлементными (NaCl, HCl). В случае ионной связи в молекуле NaCl атом натрия передает свой внешний электрон атому хлора и превращается при этом в ион с зарядом +1, а атом хлора принимает электрон и превращается в ион с зарядом -1. Схематически процесс превращения атомов в ионы можно изобразить так:

При химическом взаимодействии в молекуле HCl общая электронная пара смещается в сторону более электроотрицательного атома. Например,, т. е. электрон не полностью перейдет от атома водорода к атому хлора, а частично, обусловливая тем самым частичный заряд атомов δ: Н +0.18 Сl -0.18 . Если же представить, что и в молекуле HCl, как и в хлориде NaCl, электрон полностью перешел от атома водорода к атому хлора, то они получили бы заряды +1 и -1:

Такие услов­ные заряды называют степенью окисления . При определении этого понятия условно предполагают, что в ковалентных полярных соединениях связую­щие электроны полностью перешли к более элек­троотрицательному атому, а потому соединения со­стоят только из положительно и отрицательно заряженных атомов.

Степень окисления - это условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный на основе предположения, что все соединения (и ионные, и ковалентно-полярные) состоят только из ионов. Степень окисления может иметь отрицательное, положительное или нулевое значение, которое обычно ставится над символом элемента сверху, например:

Отрицательное значение степени окисления имеют те атомы, которые приняли электроны от других атомов или к которым смещены общие электронные пары, т. е. атомы более электроотрицательных элементов . Положительное значение степени окисления имеют те атомы, которые отдают свои электроны другим атомам или от которых оттянуты общие электронные пары, т. е. атомы менее электроотрицательных элементов . Нулевое значение степени окисления имеют атомы в молекулах простых веществ и атомы в свободном состоянии, например:

В соединениях суммарная степень окисления всегда равна нулю.

Валентность

Валентность атома химического элемента определяется в первую очередь числом неспаренных электронов, принимающих участие в образовании химической связи.

Валентные возможности атомов определяются:

Числом неспаренных электронов (одноэлектронных орбиталей);

Наличием свободных орбиталей;

Наличием неподеленных пар электронов.

В органической химии понятие «валентность» замещает понятие «степень окисления», с которым привычно работать в неорганической химии. Однако это не одно и то же. Валентность не имеет знака и не может быть нулевой, тогда как степень окисления обязательно характеризуется знаком и может иметь значение, равное нулю.

В основном, под валентностью понимается способность атомов к образованию определённого числа ковалентных связей. Если в атоме имеется n неспаренных электронов и m неподелённых электронных пар, то этот атом может образовывать n + m ковалентных связей с другими атомами, т.е. его валентность будет равна n + m. При оценке максимальной валентности следует исходить из электронной конфигурации «возбуждённого» состояния. Например, максимальная валентность атома бериллия, бора и азота равна 4.

Постоянные валентности:

• H, Na, Li, К, Rb, Cs — Степень окисления I
• О, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Zn, Cd — Степень окисления II
• B, Al, Ga, In — Степень окисления III

Переменные валентности:

• Сu - I и II
• Fe, Со, Ni -II и III
• С, Sn, Pb - II и IV
• P- III и V
• Cr - II, III и VI
• S - II, IV и VI
• Mn-II, III, IV, VI и VII
• N-II, III, IV и V
• Cl-I, IV, VI и VII

Используя валентности можно составить формулу соединения.

Химическая формула — это условная запись состава вещества посредством химических знаков и индексов.

Например: Н 2 O-формула воды, где Н и О-химические знаки элементов, 2 — индекс, который показывает число атомов данного элемента, входящих в состав молекулы воды.

При названии веществ с переменной валентностью обязательно указывается его валентность, которая ставится в скобки. Например, Р 2 0 5 — оксид фосфора (V)

I. Степень окисления свободных атомов и атомов в молекулах простых веществ равна нулю — Na 0 , Р 4 0 , О 2 0

II. В сложном веществе алгебраическая сумма СО всех атомов с учётом их индексов равна нулю = 0. а в сложном ионе его заряду.

Например:

Разберем для примера несколько соединений и узнаем валентность хлора :

Справочный материал для прохождения тестирования:

Таблица Менделеева

Таблица растворимости

Sc 1,3 Ti 1,5 V 1,6 Cr 1,6 Mn 1,5 Fe 1,8 Co 1,9 Ni 1,9 Cu 1,9 Zn 1,6 Y 1,2 Zr 1,4 Nb 1,6 Mo 1,8 Tc 1,9 Ru 2,2 Rn 2,2 Pd 2,2 Ag 1,9 Cd 1,7 La 1,0 Hf 1,3 Ta 1,5 W 1,7 Re 1,9 Os 2,2 Ir 2,2 Pt 2,2 Au 2,4 Hg 1,9

Таким образом, чем более типичным металлом является элемент, тем ниже его электроотрицательность и наоборот, чем более типичным неметаллом является элемент, тем выше его электроотрицательность.

В периодах электроотрицательность растет, а в группах уменьшается с ростом Z , то есть растет от Cs к F по диагонали периодической системы. Это обстоятельство до некоторой степени определяет диагональное сходство элементов .

В главных и побочных подгруппах свойства элементов меняются немонотонно, что обусловлено так называемой вторичной периодичностью , связанной с влиянием d - и f -электронных слоев.

Из анализа периодичности геометрических и энергетических параметров атомов следует, что периодическим законом можно пользоваться для определения физико-химических констант, предсказывать изменение радиусов, энергий ионизации и сродства к электрону, и, следовательно, кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства их соединений.

Зависимость кислотно-основных свойств оксидов от положения элемента в периодической системе и его степени окисления.

Слева направо по периоду у элементов происходит ослабление металлических свойств, и усиление неметаллических. Основные свойства оксидов ослабевают, а кислотные свойства оксидов усиливаются.

По главным подгруппам неметаллические свойства элементов ослабевают, а металлические усиливаются, поэтому сверху вниз по главной группе возрастают основные свойства оксидов, а кислотные ослабевают.

Если один и тот же элемент образует несколько оксидов с разными степенями окисления, то чем выше степень окисления элемента в оксиде, тем выше его кислотные свойства.

Например, Pb +2 O – основной оксид, Pb +4 O 2 – амфотерный. Cr +2 O - основный оксид, Cr 2 +3 O 3 – амфотерный, Cr +6 O 3 – кислотный.

Характер изменения свойств оснований в зависимости от положения металла в периодической системе и его степени окисления.

По периоду слева направо наблюдается постепенное ослабление основных свойств гидроксидов. Например, Mg(OH) 2 более слабое основание, чем NaOH, но более сильное основание, чем Al(OH) 3 .

По главным группам сверху вниз сила оснований возрастает. Так, Са(ОН) 2 более сильное основание, чем Mg(OH) 2 , но Mg(OH) 2 более сильное основание, чем Ве(ОН) 2 .

Если металл образует несколько гидроксидов, находясь в различной степени окисления, то чем выше степень окисления металла, тем более слабыми основными свойствами обладает гидроксид. Так, Cr(OH) 3 более слабое основание, чем Cr(OH) 2 .

Зависимость силы кислот от положения элемента в периодической системе и его степени окисления.

По периоду для кислородосодержащих кислот слева направо возрастает сила кислот. Так, Н 3 РО 4 более сильная, чем Н 2 SiO 3 ; в свою очередь, H 2 SO 4 более сильная, чем Н 3 РО 4 .

По группе кислородсодержащих кислот сверху вниз сила кислот уменьшается. Так, угольная кислота (Н 2 СО 3) более сильная, чем кремневая (Н 2 SiO 3).

Чем выше степень окисления кислотообразующего элемента, тем сильнее кислота: серная кислота (H 2 S +6 O 4) сильнее, чем сернистая (H 2 S +4 O 3).

Сила бескислородных кислот в главных подгруппах с ростом атомного номера элемента возрастает: HF → HCl → HBr → HI

H 2 S → H 2 Se → H 2 Te

СИЛА КИСЛОТ РАСТЕТ

По периоду слева направо сила бескислородных кислот возрастает. Так HCl более сильная кислота, чем H 2 S, а HBr - чем H 2 Se.

Учение о химической связи – центральный вопрос современной химии. Без него нельзя понять причин многообразия химических соединений, механизма их образования, строения и реакционной способности.

Образование молекул из атомов приводит к выигрышу энергии, так как в обычных условиях молекулярное состояние устойчивее, чем атомное. Учение о строении атомов объясняет механизм образования молекул, а также природу химической связи. У атомов на внешнем энергетическом уровне может быть от одного до восьми электронов. Если на внешнем уровне содержится максимальное число электронов, которое он может вместить, то такой уровень называют завершенным. Завершенные уровни характеризуются большой прочностью. Такие уровни имеют атомы благородных газов. Атомы других элементов имеют незавершенные энергетические уровни и в процессе химического взаимодействия завершают их.

Химическая связь – это совокупность сил, действующих между атомами или группой атомов. Химическая связь осуществляется валентными электронами. По современным представлениям химическая связь имеет электронную природу, но осуществляется она по-разному. Поэтому различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную, металлическую . Между молекулами возникает водородная связь , и происходят вандерваальсовые взаимодействия .

К основным характеристикам химической связи, относятся:

Длина связи – это межъядерное расстояние между химически связанными атомами. Она зависит от природы взаимодействующих атомов и от кратности связи. С увеличением кратности длина связи уменьшается, а, следовательно, увеличивается ее прочность.

Кратность связи – определяется числом электронных пар, связывающих два атома. С увеличением кратности энергия связи возрастает.

Угол связи – угол между воображаемыми прямыми проходящими через ядра двух химически взаимосвязанных соседних атомов.

Энергия связи (Е СВ ) – это энергия, которая выделяется при образовании данной связи и затрачивается на ее разрыв (кДж/моль).

Химическая связь, образованная путем обобществления пары электронов двумя атомами, называется ковалентной.

Объяснение химической связи возникновением общих электронных пар между атомами легло в основу спиновой теории валентности, инструментом которой является метод валентных связей (МВС) , открытый Льюисом в 1916 году.

Основные принципы образования химической связи по МВС:

1. Химическая связь образуется за счет валентных (неспаренных) электронов.

2. Электроны с антипараллельными спинами, принадлежащие двум различным атомам, становятся общими.

3. Химическая связь образуется только в том случае, если при сближении двух и более атомов полная энергия системы понижается.

4. Основные силы, действующие в молекуле, имеют электрическое, кулоновское происхождение.

5. Связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака.

Существует два механизма образования ковалентной связи.

Обменный механизм . Связь образована путем обобществления валентных электронов двух нейтральных атомов. Каждый атом дает по одному неспаренному электрону в общую электронную пару (рис. 9).

Рис.9. Обменный механизм образования ковалентной связи:

а – не полярной; б ‑ полярной.

Донорно-акцепторный механизм . Один атом (донор) предоставляет электронную пару, а другой атом (акцептор) предоставляет для этой пары свободную орбиталь (рис. 10).

Соединения образованные по донорно-акцепторному механизму относятся к комплексным соединениям.

донор акцептор

Рис.10. Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи.

Ковалентная связь имеет определенные характеристики.

Насыщаемость – свойство атомов образовывать строго определенное число ковалентных связей. Благодаря насыщаемости связей молекулы имеют определенный состав.

Направленность – т. е. связь образуется в направлении максимального перекрытия электронных облаков. Относительно линии соединяющей центры атомов образующих связь различают: σ и π (рис. 11).

σ связь– образована перекрыванием АО по линии соединяющей центры взаимодействующих атомов,

Рис. 11. Схема перекрывания орбиталей при образовании δ-связей (а, б, в) и π-связей (г)

π связь- это связь возникающая в направлении оси перпендикулярной прямой соединяющей ядра атома.

Направленность связи обусловливает пространственную структуру молекул, то есть их геометрическую форму.

Гибридизация ‑ это изменение формы некоторых орбиталей при образовании ковалентной связи для достижения более эффективного перекрывания орбиталей. Химическая связь, образуемая с участием электронов гибридных орбиталей, более прочная, чем связь с участием электронов негибридных s- и р-орбиталей, так как происходит большее перекрывание.

Различают следующие виды гибридизации (рис. 12):

s p – гибридизация ‑ одна s- орбиталь и одна p- орбиталь превращаются в две одинаковые "гибридные" орбитали, угол между осями которых равен 180°. Молекулы, в которых осуществляется sp- гибридизация, имеют линейную геометрию (BeCl 2).

s p 2 гибридизация . ‑одна s- орбиталь и две p- орбитали превращаются в три одинаковые "гибридные" орбитали, угол между осями которых равен 120°. Молекулы, в которых осуществляется sp 2 - гибридизация, имеют плоскую геометрию. (BF 3 , AlCl 3).

s p 3 гибридизация ‑ одна s- орбиталь и три p- орбитали превращаются в четыре одинаковые "гибридные" орбитали, угол между осями которых равен 109°28". Молекулы, в которых осуществляется sp 3 - гибридизация, имеют тетраэдрическую геометрию (CH 4 , NH 3).

Рис. 12. Виды гибридизаций валентных орбиталей: а ‑ sp -гибридизация валентных орбиталей; б – sp 2 –гибридизация валентных орбиталей; в ‑ sp 3 –гибридизация валентных орбиталей

Полярность - если электронная плотность расположена симметрично между атомами, ковалентная связь называется неполярной (рис.9.а), если электронная плотность смещена в сторону одного из атомов, то ковалентная связь называется полярной (рис.9.б). Полярность связи тем больше, чем больше разность электроотрицательностей атомов, молекула называется диполем.

Диполь – это система, в которой имеется два электрических заряда, равных по величине, но противоположных по знаку, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.

Произведение длины диполя (l), т.е. расстояния между полюсами в молекуле, на величину заряда электрона (ē) называется дипольным моментом (μ).

Дипольный момент молекулы служит количественной мерой ее полярности. Дипольные моменты молекул измеряют в дебаях (D). 1D = 3,33 · 10 -30 Кл·м.

Чем больше длина диполя (дипольный момент), тем больше полярность молекулы (, и др.).

Дипольный момент направлен от положительного конца диполя к отрицательному. Поэтому дипольный момент многоатомной молекулы следует рассматривать как векторную сумму дипольных моментов связей: он зависит не только от полярности каждой связи, ни и от взаимного расположения этих связей.

Поляризуемость – способность молекулы становиться полярной. Данное явление происходит под действием внешнего электрического поля или под влиянием другой молекулы, являющейся партнером по реакции.

Существует обратная зависимость между полярностью и поляризуемостью ковалентной связи: чем больше полярность связи, тем меньше остается возможности для их дальнейшего смещения под действием внешних сил.

Для квантово-механического описания химической связи и строения молекул применяют еще один метод – метод молекулярных орбиталей (ММО). Данный метод исходит из предположения, что состояние электронов в молекуле может быть описано как совокупность молекулярных электронных орбиталей, причем каждой молекулярной орбитали (МО) соответствует определенный набор молекулярных квантовых чисел.

Основные положения метода МО:

1. Молекулярная орбиталь (МО) является аналогом атомной орбитали (АО): подобно тому, как электрны в атомах располагаются на АО, общие электроны в молекуле располагаются на МО.

2. Для образования МО атомные орбитали должны обладать приблизительно одинаковой энергией и симметрией относительно направления взаимодействия.

3. Число МО равно общему числу АО, из которых комбинируются МО.

4. Если энергия МО оказывается ниже энергии исходных АО, то такие МО называются связывающие , а если выше энергии исходных АО, то – разрыхляющие МО (рис. 13).

5. Электроны заполняют МО, как и АО в порядке возрастания энергии, при этом соблюдается принцип Паули и правило Гунда.

6. МО двухатомных молекул первого периода и второго (до N 2) располагают в ряд:

Рис. 13. Энергетическая диаграмма образования МО из двух АО

σ связ 1s < σ разр 1s < σ связ 2s < σ разр 2s < π связ 2р y = π связ 2р z < σ связ 2 p x < π разр 2р y = π разр 2р z < σ разр 2 p x .

МО двухатомных молекул конца второго периода по возрастанию энергии располагают: σ связ 1s < σ разр 1s < σ связ 2s < σ разр 2s < σ связ 2 p x < π связ 2р y = π связ 2р z < π разр 2р y = π разр 2р z < σ разр 2 p x .

7. В методе МО вместо кратности связи вводится понятие порядок связи (n) – полуразность числа связывающих и числа разрыхляющих электронов:

(59)

Порядок связи может быть равен нулю, целому или дробному положительному числу. При n = 0 молекула не образуется.

8. Если на МО имеются неспаренные электроны, молекула парамагнитна , т.е. обладает магнитными свойствами. Если все электроны спарены – диамагнитна , т.е. не обладает магнитными свойствами.

ММО по сравнению с МВС позволяет получить реальные представления о химической связи и свойствах различных частиц (молекул, ионов). Электронные конфигурации молекул рассмотрим на примере образования химической связи двухатомной молекулы водорода, представленного через электронную формулу: 2Н → H 2 [(σ связ 1s) 2 ].

Как видно (рис. 14), из двух s-орбиталей образуется две МО: одна связывающая и одна разрыхляющая. При этом МО принадлежат к σ-типу: они образованы взаимодействием s-орбиталей. Порядок связи:

Характеризуя ММО и МВС, необходимо заметить, что оба квантово-механических подхода к описанию химической связи – приближены. ММО придает преувеличенное значение делокализации электрона в молекуле и основывается на одноэлектронных волновых функциях – молекулярных орбиталях. МВС преувеличивает роль локализации электронной плотности и основывается на том, что элементарная связь осуществляется только парой электронов между двумя атомами.

Рис. 14. Энергетическая диаграмма образования МО водорода из двух АО

Сравнивая МВС и ММО, следует отметить, что достоинством первого является его наглядность: насыщаемость связи объясняется как максимальная ковалентность, направленность вытекает из направленности атомных и гибридных орбиталей; дипольный момент молекулы складывается из дипольных моментов связей, разности ОЭО атомов, образующих молекулу, и наличия неподеленных электронных пар.

Однако существование некоторых соединений невозможно объяснить с позиции МВС. Это электрон-дефицитные соединения (Н 2 +) и соединения благородных газов. Их строение легко объясняет ММО. Устойчивость молекулярных ионов и атомов в сравнении с молекулами легко предсказывается с позиции ММО. И, наконец, магнетизм и окраска вещества также легко объясняются ММО.

Количественные расчеты в ММО, несмотря на свою громоздкость, все же гораздо проще, чем в МВС. Поэтому в настоящее время в квантовой химии МВС почти не применяется. В тоже время качественно выводы МВС гораздо нагляднее и шире используются экспериментаторами, чем ММО. Основанием для этого служит тот факт, что реально в молекуле вероятность пребывания данного электрона между связанными атомами гораздо больше, чем на других атомах, хотя и там она не равна нулю. В конечном счете, выбор метода определяется объектом исследования и поставленной задачей.

Ионная (электровалентная) связь -это сильнополярная ковалентная связь. В ее основе лежит электростатическое взаимодействие ионов. Согласно ей, атомы элементов с числом электронов в наружном слое меньше восьми присоединяют или теряют такое число электронов, которое делает наружный электронный слой таким, как у атома ближайшего инертного газа.

Атом, потерявший электроны, превращается в положительно заряженный ион (катион). Атом, присоединивший электроны, становится отрицательно заряженным ионом (анион). Разноименно заряженные ионы притягиваются друг к другу (рис. 15).

Возникновение ионной связи имеет место только в том случае, если элементы, атомы которых реагируют между собой, обладают резко отличными значениями энергии ионизации и сродства к электрону. Ионных соединений немного. Они обладают основными свойствами: в расплавленном состоянии обладают электропроводностью, в воде легко диссоциируют на ионы (растворяются), имеют высокую температуру плавления и кипения.

Рис. 15. Образование хлорида натрия из простых веществ

Ионная связь характеризуется следующими показателями:

Ненаправленность . Ионы – заряженные шары, их силовые поля равномерно распределяются во всех направлениях в пространстве, поэтому они притягивают противоположный по знаку ион в любом направлении.

Ненасыщаемость. Взаимодействие двух ионов не может привести к полной взаимной компенсации их силового поля. Поэтому у них сохраняется способность притягивать ионы противоположного знака и по другим направлениям. Так, ионный кристалл () является гигантской молекулой из ионов. Из отдельных молекул ионные соединения состоят только в парообразном состоянии.

Металлическая связь основана на обобществлении валентных электронов, принадлежащих не двум, а практически всем атомам металла в кристалле.

В металлах валентных электронов намного меньше, чем свободных орбиталей. Это создает условия для свободного перемещения электронов по орбиталям разных атомов металла. Внутри металла происходит непрерывное хаотичное движение электронов от атома к атому, то есть электроны становятся общими. При создании разности потенциалов происходит согласованное движение электронов – это объясняет электрическую проводимость данных веществ. В металлах небольшое число электронов одновременно связывает множество атомных ядер – эта особенность называется делокализацией. Данный тип связи характерен для веществ, находящихся в твердом или жидком состоянии.

Водородная связь – одна из разновидностей взаимодействия между полярными молекулами, бывает внутри- и межмолекулярной (рис.16).

Рис.16. Образование водородной связи: а – внутримолекулярной;

б – межмолекулярной.

Она образуется между электроотрицательными атомами одной молекулы и атомами водорода другой, типа Н-Х (Х – это F , O , N , Cl , Br , I ) за счет сил электростатического притяжения. Связь между водородом и одним из этих атомов характеризуется достаточной полярностью, поскольку связующее электронное облако смещено в сторону более электроотрицательного атома. Водород в данном случае расположен на положительном конце диполя. Два и более таких диполя взаимодействуют между собой так, ядро атома водорода одной молекулы (положительный конец диполя) притягивается неподеленной электронной парой второй молекулы. Данная связь проявляется в газах, жидкостях и твердых телах. Она относительно прочна. Понижение температуры способствует образованию водородной связи. Наличие водородной связи обусловливает повышение устойчивости молекул вещества, а также повышению их температуры кипения и плавления. Образование водородных связей играет важную роль, как в химических, так и в биологических системах.

Разные агрегатные состояния веществ свидетельствует о том, что между частицами (атомами, ионами, молекулами) имеет место взаимодействие, обусловленное ван-дер-ваальсовыми силами притяжения. Наиболее важной и отличительной чертой этих сил является их универсальность, так как они действуют без исключения между всеми атомами и молекулами.

Межмолекулярные силы (Ван-дер-ваальсовые силы) – взаимодействие между молекулами, в результате которого вещество переходит в жидкое или твердое состояние. Межмолекулярные силы имеют электрическую природу. Они обусловлены полярностью и поляризуемостью молекул. Различают три типа межмолекулярного взаимодействия: дипольное, индукционное, дисперсионное (рис. 17).

При ориентационном (дипольном) . взаимодействии полярные молекулы, сближаясь, ориентируются относительно друг друга противоположно заряженными концами диполей. Чем более полярны молекулы, тем прочнее взаимодействие. При повышении температуры ориентационное взаимодействие уменьшается, так как тепловое движение молекул нарушает ориентацию.

При индуцированным взаимодействии происходит взаимное притяжение полярных и неполярных молекул. Постоянный диполь полярной молекулы создает в неполярной временный диполь (за счет деформации электронного облака), благодаря которому и происходит взаимодействие. Оно не зависит от температуры, зависит от напряженности электрического поля полярной молекулы.

Сближение двух неполярных молекул приводит к дисперсионному взаимодействию. Оно возникает вследствие вращения электронов и колебательного движения атомных ядер, в атоме возникают небольшие мгновенные деформации электронного облака, создающие асимметрию в распределении зарядов, возникают мгновенные диполи. На дисперсионном взаимодействии основан процесс сжижения благородных газов и двухатомных элементарных газов.

Рис. 17. Межмолекулярные взаимодействия молекул:

а – ориентационное; б – индукционное; в – дисперсионное

В молекулах, образованных более чем двумя атомами различных элементов существуют разные типы связей.

Энергия межмолекулярного взаимодействия намного меньше энергии химических связей (8-47 кДж/моль), она быстро уменьшается при увеличении расстояния между молекулами, однако, ее достаточно для стягивания молекул веществ в агрегаты. Ван-дер-ваальсовые силы проявляются при переходе вещества из газообразного состояния в жидкое, при кристаллизации сжиженных газов, адсорбции и других процессов.

Вещество может существовать в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Плазму часто называют четвертым агрегатным состоянием. Свойства веществ зависят от агрегатного состояния (табл. 32).

Электроотрицательность – это свойство атома, соединенного ковалентной связью с другим атомом. Если в связи А–В электронное облако смещено в сторону А, то А более электроотрицателен, чем В.

Наибольшая электроотрицательность присуща атомам, расположенным в правом верхнем углу, наименьшая – в нижнем левом углу периодической системы. Таким образом, электроотрицательность растет слева направо по периодам и снизу вверх в группах.

В пределах главного периода она пропорциональна эффективному заряду ядра (для 2-го периода: С F). Внутри группы она тем больше, чем меньше степень экранирования ядер электронами:FClBrI.

Рассмотрим энергии связей трех молекул:

Экспериментально установлено, что

E A – B > (E A – A +E B – B)

Электроотрицательность рассматривают в основном по шкале Полинга. Полинг предположил, что

χ A – χ B =f(Δ)

где Δ = E A – B –(E A – A +E B – B)

Эмпирически было найдено, что эта зависимость является квадратичной.

Если произвольно приписать χ F = 4, то остальным атомам можно присвоить такие значения элетроотрицательностей, что будет справедливо соотношение

│χ A – χ B │ =
= 0,208
,

где Δ – в ккал/моль;

23,06 – переводной коэффициент из ккал/моль в эВ/моль, помноженный на 10 4 .

Полученная таким образом эмпирическая шкала Полинга выглядит следующим образом:

Таблица 5

Шкала Полинга:

По Малликену = 1/2E + I, гдеE– сродство к электрону,I– энергия ионизации атома в данном валентном состоянии.

Электроотрицательность по Малликену линейно пропорциональна электроотрицательности по Полингу.

Электроотрицательность атома зависит от эффективного заряда атома в конкретной молекуле и от состояния его гибридизации, т. е. не является фиксированной величиной.

Таблица 6

Электроотрицательность атома углерода в различных гибридных состояниях:

Тип связи
Состояние гибридизации атома углерода

Следовательно, электроотрицательность одного и того же многовалентного атома различна в направлении различных связей и зависит от других заместителей, входящих в состав молекулы. особенно от атомов, непосредственно соединенных с рассматриваемым. Поэтому имеет смысл рассчитать электроотрицательность и для атомных групп:

Таблица 7

Электроотрицательность групп

Сведения об электроотрицательности можно получить из спектров ЯМР. Химический сдвиг протона приблизительно пропорционален электронной плотности вокруг него, и, следовательно, электроотрицательности атома или группы, с которыми он связан. Чем выше электроотрицательность атома или группы, тем ниже электронная плотность вокруг связанного с ними протона и тем в большей степени сдвинут сигнал протона в слабое поле.