Хімічної зв'язком називається зв'язок двох і більше атомів (молекул) в органічному або неорганічному з'єднанні. Вона утворюється за умови зменшення загальної енергії в системі.
Чи всі елементи можуть утворювати хімічні зв'язки
Всі елементи періодичної системи мають різну здатність до утворення зв'язку. Найбільш стійкими і, як результат, хімічно малоактивними є атоми благородних (інертних) газів, так як містять на зовнішній електронній оболонці два або вісім електронів. Вони утворюють невелику кількість зв'язків. Наприклад, неон, гелій і аргон не утворюють хімічних зв'язків ні з одним елементом, тоді як ксенон, криптон і радон здатні реагувати з фтором і молекулами води.
У атомів інших елементів зовнішні рівні не завершені і мають від одного до семи електронів, тому для підвищення стійкості оболонки утворюють хімічні зв'язки.
Типи хімічного зв'язку
Виділяють кілька типів зв'язку:
Ковалентний. Іонна. Металева. Воднева. Ковалентний зв'язок
Даний тип зв'язку формується між атомами в молекулі в результаті усуспільнення або перекриття валентної електронної пари. Відповідно, існує обмінний і донорно-акцепторний (б) механізми утворення ковалентного зв'язку. Окремим випадком є дативная зв'язок, яка буде розглянута нижче.
Ковалентний зв'язок: обмінний механізм
У атомів на зовнішньому рівні є неспарені електрони. При взаємодії зовнішні оболонки перекриваються. Антипараллельние спини одиночних електронів, що містяться на зовнішніх рівнях, спаровуються з утворенням електронної пари, загальної для обох атомів. Дана пара електронів представляє, власне, ковалентную зв'язок, яка утворена за обмінним механізмом, наприклад, в молекулі водню.
Ковалентний зв'язок: донорно-акцепторний механізм
Даний механізм полягає в обобществлении двома атомами двох знаходяться на зовнішньому рівні електронів. При цьому один з атомів виступає в якості донора (надає два електрона), а інший - акцептора (має вакантну орбіталь для електронів). Атоми s - і p-елементів можуть бути акцепторами, або донорами електронів. Атоми d-елементів здатні бути донорами і акцепторами. Щоб зрозуміти, що таке донорно-акцепторний механізм, розглянемо два прості приклади - освіта катіонів гидроксония H 3 O + і амонію NH 4 + .
Приклад донорно-акцепторної механізму - катіон амонію
Схематично реакція утворення частинки амонію виглядає наступним чином: NH 3 +H + =NH 4 + Електрони в атомі N розподілені в такому порядку: 1s 2 2s 2 2p 3 . Електронна структура катіона H: 1s 0 . Атом азоту на зовнішньому рівні містить два s - і три p-електрона. Три p-електрони беруть участь в утворенні трьох ковалентних обмінного типу зв'язків азот-водень N-H. В результаті цього утворюється молекула аміаку NH 3 з ковалентним типом зв'язку. Оскільки атом азоту N на зовнішньому рівні має ще пару електронів s, молекула NH 3 може приєднати ще й катіон водню. Молекула аміаку є донором, а катіон водню H + – акцептором, який приймає донорські електрони від азоту на власну вільну s-орбіталь.
Приклад донорно-акцепторної механізму – H3O (іон гидроксония)
Електрони в атомі кисню розподілені в такому порядку: 1s 2 2s 2 2p 4 . Атом кисню на зовнішньому рівні має два s і чотири p-електрона. Виходячи з цього, в утворенні зв'язків H-O беруть участь два вільних p-електрона і два s-електрона від двох атомів H. тобто 2 наявні зв'язки в молекулі H 2 O – ковалентні, утворені за обмінним механізмом. Електронна структура катіони водню: 1s 0 . Так як у атома кисню на зовнішньому рівні залишилися ще два електрони (s-типу), він може утворити третю зв'язок ковалентного типу за донорно-акцепторної механізму. Акцептором може бути атом, що має вільну орбіталь, в даному прикладі це частинка H + . Вільну s-орбіталь катіона H + займають два електрона (s) атома кисню.
Донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв'язку між неорганічними молекулами
Донорно-акцепторний механізм ковалентного зв'язку можливий не тільки у взаємодіях типу «атом-атом» або «молекула-атом», але і в реакціях, що протікають між молекулами. Єдиною умовою для донорно-акцепторної взаємодії кінетичних незалежних молекул є зменшення ентропії, іншими словами, підвищення впорядкованості хімічної структури. Розглянемо перший приклад - освіта апротонной кислоти (кислоти Льюїса) NH 3 BF 3 . Даний неорганічний комплекс утворюється в реакції приєднання молекули аміаку і фтористого бору. NH 3 +BF 3 = NH 3 BF 3 Електрони в атомі бору розподілені в такому порядку: 1s 2 2s 2 2p 1 . При збудженні атома B один електрон s-типу переходить на p-підрівень (1s 2 2s 1 2p 2 ). Таким чином, на зовнішньому рівні порушеної атома бору знаходиться два s - і два p-електрона. В молекулі BF 3 три ковалентні зв'язки бор-фтор B-F утворені обмінного типу (атоми бору та фтору надають по одному електрону). Після утворення трьох ковалентних зв'язків у атома бора на зовнішній електронній оболонці залишається вільний p-підрівень, за рахунок якого молекула фтористого бору може виступати акцептором електронів.
Електрони в атомі азоту розподілені в такому порядку:1s 2 2s 2 2p 3 . За три електрони від атомів N і H беруть участь у формуванні зв'язки азот-водень. Після цього у азоту залишається ще два електрони s-типу, які він може надати для утворення зв'язку за донорно-акцепторної механізму.
У реакції взаємодії трифториду бору і молекула аміаку NH 3 грає роль донора електронів, а молекула BF 3 – акцептора. Пари електронів азоту займає вільну орбіталь фтористого бору і утворюється хімічна сполука NH 3 BF 3 . Інший приклад механізму утворення донорно-акцепторної зв'язку - отримання полімеру фториду берилію.
Схематично реакція виглядає наступним чином: BeF 2 +BeF 2 ++BeF 2 ->(BeF 2 ) n Електрони в атомі Be розташовані так - 1s 2 2s 2 , а в атомі F - 1s 2 2s 2 2p 5 . Дві зв'язку берилій-фтор в молекулі фториду берилію ковалентні обмінного типу (беруть участь два p-електрона від двох атомів фтору і два електрони s-підрівня атома берилію). Між парою атомів берилію (Be) і фтору (F) формуються ще два ковалентні зв'язки за донорно-акцепторної механізму. В полімері фториду берилію атом фтору - це донор електронів, атом берилію – їх акцептор, має вакантну орбіталь.
Донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв'язку між органічними молекулами
Коли відбувається формування зв'язку з розглядуваного механізму між молекулами органічної природи, утворюються більш складні з'єднання - комплекси. У будь-якому органічному поєднанні з ковалентним зв'язком містяться як зайняті (несвязивающие і зв'язують), так і порожні орбіталі (розпушують і несвязивающие). Можливість донорно-акцепторної утворення комплексів визначається ступенем стійкості комплексу, яка залежить від міцності зв'язку. Розглянемо приклад - реакція взаємодії молекули метиламіну з соляною кислотою з утворенням хлориду метиламмония. В молекулі метиламіну ковалентні зв'язки, утворені за обмінним механізмом – дві зв'язку H-N і одна зв'язок N-CH 3 . Після з'єднання з воднем і метильною групою біля атома азоту є ще пара електронів s-типу. Будучи донором, він надає цю електронну пару для атома водню (акцептор), у якого є вільна орбіталь.
Донорно-акцепторний механізм без формування хімічного зв'язку
Не у всіх випадках донорно-акцепторної взаємодії відбувається усуспільнення електронної пари і освіта зв'язку. Деякі органічні сполуки можуть об'єднуватися між собою за рахунок перекривання заповненої орбіталі донора з порожньою орбиталью акцептора. Відбувається перенесення заряду – електрони делокализуются між акцептором і донором, розташовані дуже близько один до одного. Утворюються комплексні сполуки з переносом заряду (КПЗ). Таке взаємодія характерно для пі-систем, орбіталі яких легко перекриваються, а електрони легко поляризуються. У ролі донорів можуть виступати металлоцени, ненасичені аміносполуки, ТДАЭ (тетракис(диметиламіно)етилен). Акцепторами найчастіше є фулерени, хинодиметани, мають акцепторні замісники. Перенесення заряду може бути як частковим, так і повним. Повний перенос заряду відбувається при фотовозбуждении молекули. При цьому утворюється комплекс, який можна спостерігати спектрально. Незалежно від повноти переносу заряду, такі комплекси нестійкі. Для підвищення міцності і часу життя такого стану додатково впроваджують мостиковую групу. В результаті цього донорно-акцепторні системи успішно використовуються в пристроях перетворення сонячної енергії. У деяких органічних молекулах зв'язок за донорно-акцепторної механізму формується всередині молекули між донорної та акцепторної групою. Такий тип взаємодії носить назву трансаннулярного ефекту, характерного, наприклад, для атранов (элементоорганические з'єднання зі зв'язками N->B, N->Si).
Семиполярная зв'язок, або Дативний механізм утворення зв'язку
Крім обмінний і донорно-акцепторної існує третій механізм – дативний (інші назви – семиполярная, полуполярная або координаційна зв'язок). Атом-донор віддає пару електронів на вільну орбіталь нейтрального атома, якому необхідні два електрона, щоб завершити зовнішній рівень. Відбувається своєрідний перехід електронної густини від акцептора до донору. При цьому донор стає позитивно зарядженим (катіон), а акцептор – негативно зарядженим (аніон). Власне хімічна зв'язок формується за рахунок сполучної оболонки (перекривання двох спарених електронів одного з атомів зовнішньої вільної орбиталью іншого) і електростатичного тяжіння, що виникає між катіоном і аніоном. Таким чином, в семиполярной зв'язку поєднуються ковалентний та іонний типи. Полуполярная зв'язок характерна для d-елементів, які в різних сполученнях можуть грати ролі і акцептора і донора. У більшості випадків вона зустрічається в комплексних і органічних речовин.
Приклади дативной зв'язку
Найпростіший приклад – молекула хлору. Один атом Cl віддає пару електронів іншому атому хлору, у якого є вільна d-орбіталь. При цьому один атом Cl заряджається позитивно, інший – негативно, і між ними виникає електростатичне тяжіння. З-за великої довжини дативная зв'язок має меншу міцність в порівнянні з ковалентним обмінний і донорно-акцепторної типу, але її наявність підвищує міцність молекули хлору. Саме тому молекула Cl 2 більш міцна, ніж F 2 (у атома фтору немає d-орбіталей, зв'язок фтор-фтор тільки ковалентний обмінна). Молекула монооксиду вуглецю СО (чадний газ) утворена за рахунок трьох зв'язків C-O. Оскільки у атомів кисню і вуглецю на зовнішньому рівні є по два одиночних електрона, між ними формується два ковалентні обмінні зв'язки. Після цього у атома вуглецю залишається вакантна орбіталь, у атома O - дві пари електронів на зовнішньому рівні. Тому в молекулі монооксиду вуглецю (II) є третя зв'язок – семиполярная, що формується за рахунок двох валентних спарених електронів кисню і вільної орбіталі вуглецю. Розглянемо більш складний приклад - освіта даного виду зв'язку на прикладі взаємодії диметилового ефіру (Н3С-СН 3 ) з хлоридом алюмінію AlCl 3 . Атом кисню в диметиловом ефірі пов'язаний двома ковалентними зв'язками з метильними групами. Після цього у нього залишається ще два електрона на p-підрівні, які він віддає атому-акцептору (алюміній) і стає позитивним катіоном. При цьому атом-акцептор набуває негативний заряд (перетворюється в аніон). Катіон і аніон електростатично взаємодіють один з одним.
Значення донорно-акцепторної зв'язку
Механізм утворення донорно-акцепторної зв'язку має важливе значення в житті людини і широко поширений в хімічних сполуках як органічної, так і неорганічної природи, що підтверджують розглянуті вище приклади. Нашатирний спирт, у складі якого є катіон амонію, успішно застосовується в побуті, медицині та промисловому виробництві добрив. Іон гидроксония грає головну роль в розчинення кислот у воді. Чадний газ застосовується у промисловості (наприклад, при виробництві добрив, лазерних систем) і має величезне значення в фізіологічних системах організму людини.
