Eine chemische Bindung ist die Bindung zwischen zwei oder mehr Atomen (Molekülen) in einer organischen oder anorganischen Verbindung. Es entsteht, wenn die Gesamtenergie im System abnimmt.
Können alle Elemente chemische Bindungen eingehen?
Alle Elemente des Periodensystems sind unterschiedlichFähigkeit zur Kommunikation. Die stabilsten und infolgedessen chemisch inaktiven Atome von Edelgasen (Inertgasen) sind, da sie zwei oder acht Elektronen auf der äußeren Elektronenhülle enthalten. Sie bilden eine kleine Anzahl von Bindungen. Beispielsweise bilden Neon, Helium und Argon mit keinem Element chemische Bindungen, während Xenon, Krypton und Radon mit Fluor- und Wassermolekülen reagieren können.
Für Atome anderer Elemente sind die äußeren Ebenen nicht vollständig und haben ein bis sieben Elektronen. Um die Stabilität der Schalen zu erhöhen, bilden sie chemische Bindungen.
Chemische Bindungstypen
Es gibt verschiedene Arten der Kommunikation:
- Kovalent.
- Ionisch.
- Metallisch.
- Wasserstoff.
Kovalente Bindung
Diese Art der Bindung wird zwischen Atomen in gebildetMolekül als Ergebnis der Sozialisierung oder Überlappung eines Valenzelektronenpaars. Dementsprechend gibt es Austausch- (a) und Donor-Akzeptor- (b) Mechanismen zur Bildung einer kovalenten Bindung. Ein separater Fall ist die Dativbindung, auf die weiter unten eingegangen wird.
Kovalente Bindung: Austauschmechanismus
Atome auf der äußeren Ebene sind ungepaartElektronen. Bei der Interaktion überlappen sich die Außenschalen. Die antiparallelen Spins der einzelnen Elektronen, die in den äußeren Ebenen enthalten sind, bilden ein Elektronenpaar, das beiden Atomen gemeinsam ist. Dieses Elektronenpaar ist in der Tat eine kovalente Bindung, die durch einen Austauschmechanismus beispielsweise in einem Wasserstoffmolekül gebildet wird.
Kovalente Bindung: Donor-Akzeptor-Mechanismus
Dieser Mechanismus besteht in der Geselligkeitzwei Atome von zwei Elektronen auf der äußeren Ebene. In diesem Fall fungiert eines der Atome als Donor (liefert zwei Elektronen) und das andere - Akzeptor (hat ein freies Orbital für Elektronen). Atome von s- und p-Elementen können entweder Akzeptoren oder Elektronendonoren sein. D-Element-Atome können sowohl Donoren als auch Akzeptoren sein.
Um zu verstehen, was der Donor-Akzeptor-Mechanismus ist, betrachten Sie zwei einfachste Beispiele - die Bildung von Hydroniumkationen H.3Oh!+ und Ammonium NH4+.
Ein Beispiel für einen Donor-Akzeptor-Mechanismus - das Ammoniumkation
Schematisch ist die Reaktion der Bildung eines Ammoniumteilchens wie folgt:
NH3+ X.+= NH4+
Die Elektronen im N-Atom sind in der folgenden Reihenfolge verteilt: 1s2 2s2 2p3.
Elektronische Struktur des H: 1s-Kations0.
Das Stickstoffatom auf der äußeren Ebene enthält zwei s- unddrei p-Elektronen. Drei p-Elektronen sind an der Bildung von drei kovalenten Austauschbindungen Stickstoff-Wasserstoff N-H beteiligt. Dadurch entsteht das Ammoniakmolekül NH3 mit einer kovalenten Bindung. Da das Stickstoffatom N auf der äußeren Ebene ein Elektronenpaar s hat, ist das NH3 kann auch ein Wasserstoffkation hinzufügen. Das Ammoniakmolekül ist ein Donor und das Wasserstoffkation H.+ - ein Akzeptor, der Donorelektronen von Stickstoff in sein eigenes freies s-Orbital aufnimmt.
Ein Beispiel für einen Donor-Akzeptor-Mechanismus ist H3O (Hydroniumion)
Die Elektronen im Sauerstoffatom sind in der folgenden Reihenfolge verteilt: 1s2 2s2 2p4.
Das Sauerstoffatom auf der äußeren Ebene hat zwei s undvier p-Elektronen. Basierend darauf sind zwei freie p-Elektronen und zwei s-Elektronen aus zwei H-Atomen an der Bildung von H-O-Bindungen beteiligt, dh es gibt zwei vorhandene Bindungen im H-Molekül2O - kovalent, gebildet durch den Austauschmechanismus.
Elektronische Struktur des Wasserstoffkations: 1s0.
Da das Sauerstoffatom auf der äußeren Ebenees gibt noch zwei Elektronen (s-Typ), es kann durch den Donor-Akzeptor-Mechanismus eine dritte Bindung des kovalenten Typs bilden. Ein Akzeptor kann ein Atom mit einem freien Orbital sein, in diesem Beispiel ist es ein Teilchen H.+... Das freie S-Orbital des H.+ besetzen zwei Elektronen des Sauerstoffatoms.
Donor-Akzeptor-Mechanismus zur Bildung einer kovalenten Bindung zwischen anorganischen Molekülen
Donor-Akzeptor-Mechanismus der kovalenten Bindungist nicht nur bei Wechselwirkungen vom Typ "Atom-Atom" oder "Molekül-Atom" möglich, sondern auch bei Reaktionen zwischen Molekülen. Die einzige Bedingung für die Donor-Akzeptor-Wechselwirkung kinetisch unabhängiger Moleküle ist eine Abnahme der Entropie, dh eine Zunahme der Ordnung der chemischen Struktur.
Betrachten Sie das erste Beispiel - die Bildung von Aprotinsäure (Lewis-Säure) NH3Bf3... Dieser anorganische Komplex entsteht bei der Reaktion der Zugabe von Ammoniakmolekül und Borfluorid.
NH3+ BF3= NH3Bf3
Die Elektronen im Boratom sind in der folgenden Reihenfolge verteilt: 1s2 2s2 2p1.
Bei Anregung von Atom B geht ein Elektron vom s-Typ auf die p-Unterebene (1s) über2 2s1 2p2). Somit gibt es zwei s- und zwei p-Elektronen auf der äußeren Ebene eines angeregten Boratoms.
Im BF-Molekül3 Es werden drei kovalente Bor-Fluor-B-F-Bindungen gebildetAustauschtyp (Bor- und Fluoratome liefern jeweils ein Elektron). Nach der Bildung von drei kovalenten Bindungen im Boratom an der äußeren Elektronenhülle verbleibt ein freies p-Sublevel, aufgrund dessen das Borfluoridmolekül als Elektronenakzeptor fungieren kann.
Die Elektronen im Stickstoffatom sind in der folgenden Reihenfolge verteilt: 1s2 2s2 2p3.
Jeweils drei Elektronen aus den N- und H-Atomen sind beteiligtdie Bildung einer Stickstoff-Wasserstoff-Bindung. Danach hat Stickstoff noch zwei Elektronen vom s-Typ, die für die Bildung einer Bindung durch den Donor-Akzeptor-Mechanismus sorgen können.
Bei der Reaktion der Wechselwirkung von Bortrifluorid und Ammoniak entsteht das NH-Molekül3 spielt die Rolle eines Elektronendonors und des BF3 - ein Akzeptor. Ein Paar Stickstoffelektronen besetzt das freie Orbital von Borfluorid und es entsteht eine chemische Verbindung NH3Bf3.
Ein weiteres Beispiel für einen Mechanismus zur Bildung einer Donor-Akzeptor-Bindung ist die Herstellung eines Polymers aus Berylliumfluorid.
Die Reaktion ist schematisch wie folgt:
BeF2+ BeF2+… + BeF2-> (BeF2)n
Die Elektronen im Be-Atom sind wie folgt angeordnet - 1s2 2s2und im F-Atom - 1s2 2s2 2p5.
Zwei Beryllium-Fluor-Bindungen im Berylliumfluorid-Molekül sind vom kovalenten Austauschtyp (zwei p-Elektronen von zwei Fluoratomen und zwei Elektronen der s-Subebene des Berylliumatoms sind beteiligt).
Zwischen einem Paar Beryllium- (Be) und Fluoratomen (F)Zwei weitere kovalente Bindungen werden durch den Donor-Akzeptor-Mechanismus gebildet. Im Polymer von Berylliumfluorid ist das Fluoratom der Elektronendonor, das Berylliumatom ist ihr Akzeptor, der ein freies Orbital aufweist.
Donor-Akzeptor-Mechanismus zur Bildung einer kovalenten Bindung zwischen organischen Molekülen
Wenn die Verbindung hergestellt wird durchNach dem betrachteten Mechanismus zwischen Molekülen organischer Natur werden komplexere Verbindungen gebildet - Komplexe. Jede organische Verbindung mit einer kovalenten Bindung enthält sowohl besetzte (nicht bindend und bindend) als auch leere Orbitale (lockernd und nicht bindend). Die Möglichkeit der Donor-Akzeptor-Bildung von Komplexen wird durch den Stabilitätsgrad des Komplexes bestimmt, der von der Bindungsstärke abhängt.
Betrachten Sie ein Beispiel - InteraktionsreaktionMethylaminmoleküle mit Salzsäure unter Bildung von Methylammoniumchlorid. Im Methylaminmolekül sind alle Bindungen kovalent, gebildet durch den Austauschmechanismus - zwei H-N-Bindungen und eine N-CH-Bindung3... Nach dem Kombinieren mit Wasserstoff und MethylGruppe hat das Stickstoffatom ein Paar Elektronen vom s-Typ. Als Donor liefert es dieses Elektronenpaar für das Wasserstoffatom (Akzeptor), das ein freies Orbital hat.
Donor-Akzeptor-Mechanismus ohne Bildung einer chemischen Bindung
Nicht in allen Fällen von Spender-AkzeptorWechselwirkung ist die Sozialisation des Elektronenpaars und die Bildung einer Bindung. Einige organische Verbindungen können sich aufgrund der Überlappung des gefüllten Donororbitals mit dem leeren Akzeptororbital miteinander verbinden. Es findet ein Ladungstransfer statt - Elektronen werden zwischen Akzeptor und Donor delokalisiert, die sehr nahe beieinander liegen. Es werden Ladungstransferkomplexe (CTCs) gebildet.
Diese Wechselwirkung ist typisch für Pi-Systeme,deren Orbitale leicht überlappen und Elektronen leicht polarisiert werden. Metallocene, ungesättigte Aminoverbindungen, TDAE (Tetrakis (dimethylamino) ethylen) können als Donoren wirken. Fullerene und Chinodimethane mit Akzeptorsubstituenten sind häufig Akzeptoren.
Die Gebührenübertragung kann teilweise oder vollständig erfolgen. Der vollständige Ladungstransfer erfolgt bei Photoanregung des Moleküls. Dies bildet einen Komplex, der spektral beobachtet werden kann.
Unabhängig von der Vollständigkeit der Gebührenübertragung, zKomplexe sind instabil. Um die Festigkeit und Lebensdauer eines solchen Zustands zu erhöhen, wird zusätzlich eine Brückengruppe eingeführt. Infolgedessen werden Donor-Akzeptor-Systeme erfolgreich in Solarenergieumwandlungsgeräten eingesetzt.
In einigen organischen Molekülen ist die BindungDer Donor-Akzeptor-Mechanismus wird innerhalb des Moleküls zwischen der Donor- und der Akzeptorgruppe gebildet. Diese Art der Wechselwirkung wird als transannularer Effekt bezeichnet, der beispielsweise für Atrane (Organoelementverbindungen mit N-> B-, N-> Si-Bindungen) charakteristisch ist.
Semipolare Bindung oder Dativmechanismus der Bindungsbildung
Neben Austausch und Donor-Akzeptor gibt esDer dritte Mechanismus ist Dativ (andere Namen sind semipolare, semipolare oder Koordinationskommunikation). Das Donoratom spendet ein Elektronenpaar an das freie Orbital des neutralen Atoms, das zwei Elektronen benötigt, um das äußere Niveau zu vervollständigen. Es gibt eine Art Übergang der Elektronendichte vom Akzeptor zum Donor. In diesem Fall wird der Donor positiv geladen (Kation) und der Akzeptor wird negativ geladen (Anion).
Die eigentliche chemische Bindung entsteht durchdie Bindungshülle (Überlappung zweier gepaarter Elektronen eines der Atome mit dem äußeren freien Orbital des anderen) und die elektrostatische Anziehung zwischen dem Kation und dem Anion. Somit werden die kovalenten und ionischen Typen in der semipolaren Bindung kombiniert. Eine semipolare Bindung ist charakteristisch für d-Elemente, die in verschiedenen Verbindungen sowohl die Rolle eines Akzeptors als auch eines Donors spielen können. In den meisten Fällen kommt es in komplexen und organischen Substanzen vor.
Beispiele für Dative Link
Das einfachste Beispiel ist ein Chlormolekül.Ein Cl-Atom spendet ein Elektronenpaar an ein anderes Chloratom, das ein freies d-Orbital aufweist. In diesem Fall ist ein Cl-Atom positiv und das andere negativ geladen, und zwischen ihnen entsteht eine elektrostatische Anziehung. Aufgrund ihrer langen Länge hat die Dativbindung im Vergleich zum kovalenten Austausch- und Donor-Akzeptor-Typ eine geringere Festigkeit, aber ihre Anwesenheit erhöht die Festigkeit des Chlormoleküls. Deshalb ist der Cl2 stärker als F.2 (Das Fluoratom hat keine d-Orbitale, die Fluor-Fluor-Bindung ist nur ein kovalenter Austausch).
Molekül aus Kohlenmonoxid CO (Kohlenmonoxid)gebildet durch drei C-O-Bindungen. Da Sauerstoff- und Kohlenstoffatome auf der äußeren Ebene zwei einzelne Elektronen aufweisen, werden zwischen ihnen zwei kovalente Austauschbindungen gebildet. Danach hat das Kohlenstoffatom ein freies Orbital und das O-Atom hat zwei Elektronenpaare auf der äußeren Ebene. Daher gibt es im Molekül von Kohlenmonoxid (II) eine dritte Bindung - eine semipolare, die aufgrund von zwei valenzgepaarten Sauerstoffelektronen und einem freien Kohlenstofforbital gebildet wird.
Betrachten Sie ein komplexeres Beispiel - die Bildung dieser Art von Bindung am Beispiel der Wechselwirkung von Dimethylether (Н3С-О-СН)3) mit Aluminiumchlorid AlCl3... Das Sauerstoffatom in Dimethylether ist durch zwei verbundenkovalente Bindungen mit Methylgruppen. Danach hat er noch zwei weitere Elektronen auf der p-Unterebene, die er dem Akzeptoratom (Aluminium) gibt und ein positives Kation wird. In diesem Fall erhält das Akzeptoratom eine negative Ladung (wird zu einem Anion). Das Kation und das Anion interagieren elektrostatisch miteinander.
Wert der Donor-Akzeptor-Anleihe
Der Mechanismus der Bildung von Donor-Akzeptor-Bindungenist im menschlichen Leben wichtig und in chemischen Verbindungen sowohl organischer als auch anorganischer Natur weit verbreitet, was durch die oben diskutierten Beispiele bestätigt wird. Ammoniumalkohol, der ein Ammoniumkation enthält, wird erfolgreich im Alltag, in der Medizin und in der industriellen Herstellung von Düngemitteln eingesetzt. Hydroniumionen spielen eine wichtige Rolle bei der Auflösung von Säuren in Wasser. Kohlenmonoxid wird in der Industrie verwendet (zum Beispiel bei der Herstellung von Düngemitteln, Lasersystemen) und ist in den physiologischen Systemen des menschlichen Körpers von großer Bedeutung.
