Химичната връзка е връзка между два или повече атома (молекули) в органично или неорганично съединение. Образува се, когато общата енергия в системата намалява.
Могат ли всички елементи да образуват химически връзки?
Всички елементи на периодичната таблица имат различниспособност за формиране на комуникация. Най-стабилни и в резултат на това химически неактивни са атомите на благородни (инертни) газове, тъй като те съдържат два или осем електрона върху външната електронна обвивка. Те образуват малък брой връзки. Например, неон, хелий и аргон не образуват химически връзки с нито един елемент, докато ксенонът, криптонът и радонът могат да реагират с флуорни и водни молекули.
За атомите на други елементи външните нива не са завършени и имат от един до седем електрона, следователно, за да се увеличи стабилността на черупките, те образуват химически връзки.
Видове химически връзки
Има няколко вида комуникация:
- Ковалентен.
- Йонийски.
- Метален.
- Водород.
Ковалентна връзка
Този тип връзка се образува между атомите вмолекула в резултат на социализация или припокриване на валентна електронна двойка. Съответно съществуват обменни (а) и донорно-акцепторни (б) механизми за образуване на ковалентна връзка. Отделен случай е дативната връзка, която ще бъде разгледана по-долу.
Ковалентна връзка: обменен механизъм
Атомите на външното ниво са несдвоениелектрони. При взаимодействие външните обвивки се припокриват. Антипаралелните въртения на единичните електрони, съдържащи се във външните нива, се сдвояват, за да образуват обща за двата атома електронна двойка. Тази двойка електрони всъщност е ковалентна връзка, която се образува от обменния механизъм, например в молекула на водорода.
Ковалентна връзка: донорно-акцепторен механизъм
Този механизъм се състои в социализиранедва атома от два електрона на външното ниво. В този случай единият от атомите действа като донор (осигурява два електрона), а другият - акцептор (има свободна орбитала за електрони). Атомите на s- и p-елементите могат да бъдат или акцептори, или донори на електрони. Атомите на D-елемента са способни да бъдат едновременно донори и акцептори.
За да разберете какъв е донорно-акцепторният механизъм, разгледайте два най-прости примера - образуването на хидроксониеви катиони Н3ох+ и амониев NH4+.
Пример за донорно-акцепторен механизъм - амониев катион
Схематично реакцията за образуване на амониева частица е следната:
HH3+ Н+= NH4+
Електроните в N атома се разпределят в следния ред: 1s2 2 секунди2 2р3.
Електронна структура на катиона H: 1s0.
Азотният атом на външното ниво съдържа два s- итри р-електрона. Три р-електрона участват в образуването на три връзки от ковалентен обмен азот-водород N-H. Това води до образуването на амонячна молекула NH3 с ковалентна връзка. Тъй като азотният атом N на външното ниво има двойка електрони s, NH3 може също да добави водороден катион. Амонячната молекула е донор, а водородният катион Н+ - акцептор, който приема донорни електрони от азот към собствената си свободна s-орбитала.
Пример за донорно-акцепторен механизъм е H3O (хидрониев йон)
Електроните в кислородния атом се разпределят в следния ред: 1s2 2 секунди2 2р4.
Кислородният атом на външното ниво има две s ичетири р-електрона. Въз основа на това два свободни р-електрона и два s-електрона от два Н атома участват в образуването на H-O връзки, тоест 2 съществуващи връзки в молекулата H2О - ковалентен, образуван от обменния механизъм.
Електронна структура на водородния катион: 1s0.
Тъй като кислородният атом на външното нивовсе още има два електрона (s-тип), той може да образува трета връзка от ковалентен тип чрез донорно-акцепторния механизъм. Акцептор може да бъде атом със свободна орбитала, в този пример това е частица Н+... Свободната s-орбитала на H+ заемат два електрона (и) от кислородния атом.
Донорно-акцепторен механизъм за образуване на ковалентна връзка между неорганични молекули
Донорно-акцепторен механизъм на ковалентна връзкае възможно не само при взаимодействия от типа "атом-атом" или "молекула-атом", но и при реакциите, протичащи между молекулите. Единственото условие за донорно-акцепторното взаимодействие на кинетично независими молекули е намаляване на ентропията, с други думи, увеличаване на подреждането на химическата структура.
Помислете за първия пример - образуването на апротонна киселина (Lewis acid) NH3Bf3... Този неорганичен комплекс се образува в реакцията на добавяне на амоняк и молекули на борен флуорид.
HH3+ BF3= NH3Bf3
Електроните в борния атом се разпределят в следния ред: 1s2 2 секунди2 2р1.
При възбуждане на атом В, един s-тип електрон преминава към p-подниво (1s2 2 секунди1 2р2). По този начин има два s и два p електрона на външното ниво на възбудения борен атом.
В молекулата BF3 образуват се три ковалентни бор-флуорни B-F връзкитип обмен (борните и флуорните атоми осигуряват по един електрон). След образуването на три ковалентни връзки борният атом има свободно р-подниво на външната електронна обвивка, поради което молекулата на борния флуорид може да действа като електронен акцептор.
Електроните в азотния атом се разпределят в следния ред: 1s2 2 секунди2 2р3.
В него участват по три електрона от атомите N и Hобразуването на азотно-водородна връзка. След това азотът все още има два s-типа електрони, които може да осигури за образуване на връзка чрез донорно-акцепторния механизъм.
В реакцията на взаимодействие на бор трифлуорид и амоняк, молекулата NH3 играе ролята на електронен донор и BF3 - акцептор. Двойка азотни електрони заема свободната орбитала на борния флуорид и се образува химично съединение NH3Bf3.
Друг пример за механизъм за образуване на донорно-акцепторна връзка е производството на полимер от берилиев флуорид.
Реакцията е схематично както следва:
BeF2+ BeF2+… + BeF2-> (BeF2)п
Електроните в атома Be са подредени по следния начин - 1s2 2 секунди2, а във F атома - 1s2 2 секунди2 2р5.
Две берилиево-флуорни връзки в молекулата на берилиевия флуорид са от тип ковалентен обмен (участват два р-електрона от два флуорни атома и два електрона на s-поднивото на атома на берилий).
Между двойка атоми на берилий (Be) и флуор (F)още две ковалентни връзки се образуват от донорно-акцепторния механизъм. В полимера на берилиев флуорид флуорният атом е донорът на електрони, атомът на берилия е техният акцептор, който има свободна орбитала.
Донорно-акцепторен механизъм за образуване на ковалентна връзка между органични молекули
Когато връзката се формира откъм разглеждания механизъм между молекулите от органична природа се образуват по-сложни съединения - комплекси. Всяко органично съединение с ковалентна връзка съдържа както заети (необвързващи и свързващи), така и празни орбитали (разхлабващи и необвързващи). Възможността за образуване на донорно-акцепторен комплекс се определя от степента на стабилност на комплекса, която зависи от силата на връзката.
Помислете за пример - реакция на взаимодействиеметиламинови молекули със солна киселина за образуване на метиламониев хлорид. В молекулата на метиламин всички връзки са ковалентни, образувани от обменния механизъм - две H-N връзки и една N-CH връзка3... След комбиниране с водород и метилгрупа, азотният атом има двойка s-тип електрони. Като донор той осигурява тази електронна двойка за водородния атом (акцептор), който има свободна орбитала.
Донорно-акцепторен механизъм без образуване на химическа връзка
Не във всички случаи на донор-акцепторвзаимодействието е социализация на електронната двойка и образуване на връзка. Някои органични съединения могат да се комбинират помежду си чрез припокриване на пълнената донорна орбитала с празната акцепторна орбитала. Има пренос на заряд - електроните се делокализират между акцептора и донора, които са много близо един до друг. Образуват се комплекси за прехвърляне на заряд (CTC).
Това взаимодействие е типично за pi-системи,чиито орбитали лесно се припокриват, а електроните лесно се поляризират. Металоцените, ненаситените амино съединения, TDAE (тетракис (диметиламино) етилен) могат да действат като донори. Фулерените и хинодиметаните с акцепторни заместители често са акцептори.
Прехвърлянето на такса може да бъде частично или пълно. Пълен пренос на заряд се получава, когато молекулата е фотовъзбудена. Това образува комплекс, който може да се наблюдава спектрално.
Независимо от пълнотата на прехвърлянето на такса, такавакомплексите са нестабилни. За да се увеличи силата и живота на такова състояние, допълнително се въвежда мостова група. В резултат на това донорно-акцепторните системи се използват успешно в устройствата за преобразуване на слънчева енергия.
В някои органични молекули връзкатадонорно-акцепторният механизъм се формира вътре в молекулата между донорната и акцепторната групи. Този тип взаимодействие се нарича трансануларен ефект, характерен например за атрани (органоелементни съединения с N-> B, N-> Si връзки).
Полуполярна връзка или датен механизъм на образуване на връзки
Освен обмен и донор-акцептор, иматретият механизъм е дателен (други имена са полуполярна, полуполярна или координационна връзка). Донорният атом дарява двойка електрони на свободната орбитала на неутралния атом, който се нуждае от два електрона, за да завърши външното ниво. Има един вид преход на електронната плътност от акцептора към донора. В този случай донорът се зарежда положително (катион), а акцепторът се зарежда отрицателно (анион).
Действителната химическа връзка се формира порадисвързваща обвивка (припокриване на два сдвоени електрона на един от атомите на външната свободна орбитала на другия) и електростатично привличане, възникващо между катиона и аниона. По този начин ковалентният и йонният тип се комбинират в полуполярната връзка. Полуполярна връзка е характерна за d-елементите, които в различни съединения могат да играят ролята както на акцептор, така и на донор. В повечето случаи се намира в сложни и органични вещества.
Примери за Dative Link
Най-простият пример е молекулата на хлора.Един Cl атом дарява двойка електрони на друг хлорен атом, който има свободна d-орбитала. В този случай единият атом Cl се зарежда положително, а другият отрицателно и между тях възниква електростатично привличане. Поради голямата си дължина дативната връзка има по-ниска якост в сравнение с ковалентния обмен и донорно-акцепторния тип, но нейното присъствие увеличава силата на хлорната молекула. Ето защо Cl2 по-силен от F2 (флуорният атом няма d-орбитали, флуор-флуорната връзка е само ковалентен обмен).
Молекула въглероден оксид CO (въглероден оксид)образуван от три С-О връзки. Тъй като кислородните и въглеродните атоми имат два единични електрона на външното ниво, между тях се образуват две ковалентни обменни връзки. След това въглеродният атом има свободна орбитала, а О атомът има две двойки електрони на външното ниво. Следователно в молекулата на въглеродния оксид (II) има трета връзка - полуполярна, образувана поради два валентно сдвоени електрона на кислород и свободна орбитала на въглерода.
Помислете за по-сложен пример - образуването на този тип връзка, използвайки примера за взаимодействието на диметилов етер (Н3С-О-СН3) с алуминиев хлорид AlCl3... Кислородният атом в диметилов етер е свързан с двековалентни връзки с метилови групи. След това той все още има още два електрона на р-поднивото, които той дава на акцепторния атом (алуминий) и се превръща в положителен катион. В този случай акцепторният атом придобива отрицателен заряд (превръща се в анион). Катионът и анионът взаимодействат електростатично помежду си.
Стойност на облигации донор-акцептор
Механизмът на образуване на донорно-акцепторна връзкае важен за човешкия живот и е широко разпространен в химични съединения както от органично, така и от неорганично естество, което се потвърждава от разгледаните по-горе примери. Амониевият алкохол, който съдържа амониев катион, се използва успешно в ежедневието, медицината и промишленото производство на торове. Хидрониевият йон играе основна роля в разтварянето на киселините във водата. Въглеродният окис се използва в промишлеността (например при производството на торове, лазерни системи) и е от голямо значение във физиологичните системи на човешкото тяло.
