Механизмы образования химической связи

(метод валентных связей)

1. Обменный механизм заключается в спаривании двух электронов, принадлежащих разным атомам и имеющим противоположные спины. Его можно выразить следующей схемой:

2. Донорно-акцепторный механизм–образование химической связи за счет предоставления одним атомом в общее пользование пары электронов, а другим – свободной орбитали. Атом, предоставляющий электронную пару, называется донором, а атом, имеющий свободную орбиталь, – акцептором. Схема образования связи:

Для объяснения пространственного расположения атомов в молекуле используют теорию гибридизации Л. Полинга.

Гибридизациейназывают процесс взаимодействия электронных орбиталей, их слияния, приводящий к выравниванию по форме и энергии.В зависимости от того, какие орбитали участвуют в образовании гибридных орбиталей, рассматривают различные типы гибридизации и пространственные конфигурации образовавшихся гибридных орбиталей (рис. 2).

Рис. 2. Пространственное расположение электронных

облаков для различных типов гибридизации.

sp-гибридизация: взаимодействуют одна s- и одна p-орбитали, в результате образуются две орбитали нового типа, которые называются sp-гибридными; эти орбитали имеют форму неправильной восмерки, оси их лежат на одной прямой, образуя угол 180⁰, молекула имеет линейное строение;

sp²-гибридизация: взаимодействуют одна s- и две p-орбитали, в результате чего образуются три орбитали нового типа, которые называются sp²-гибридными; оси этих орбиталей лежат в одной плоскости, углы между ними равны 120⁰, молекула имеет форму правильного треугольника;

sp³-гибридизация:взаимодействуют одна s- и три p- орбитали, в результате гибридизации образуются четыре новые sр³-гибридные орбитали, оси которых направлены от центра к вершинам тетраэдра, углы между осями равны 109⁰28′, молекула имеет тетраэдрическое строение.

В молекуле аммиака (NH₃) атом азота тоже находится в sp³-гибридном состоянии, три пары электронов являются общими с атомами водорода и участвуют в образовании связей, а одна электронная пара (неподеленная электронная пара) принадлежит только атому азота. Для предсказания геометрии молекулы аммиака атом азота следует поместить в центр тетраэдра, атомы водорода – в три вершины, а неподеленную электронную пару – в четвертую вершину, таким образом, молекула аммиака имеет пирамидальную форму.

Аналогично можно рассмотреть строение молекулы воды. В ней две неподеленные электронные пары кислорода занимают две вершины тетраэдра, а две другие заняты атомами водорода, что приводит к угловой форме молекулы воды.

Неподеленная электронная пара образует более размытое «электронное облако», чем связывающая (обобществленная, общая), поэтому она занимает больший объем, приводя к уменьшению валентных углов по сравнению с тетраэдрическими.

Валентные электроны располагаются не только на s- и p-орбиталях, но и на d, последние также принимают участие в образовании гибридных орбиталей. Осуществляются два случая гибридизации с участием d-орбиталей: sp³d² и sp³d. В первом случае молекула реализует октаэдрическое строение, а во втором образуется тригональная бипирамида (табл.7).

Таблица 7

Геометрические конфигурации молекул

А – многовалентный атом; X – атомы, связанные с атомом А; n – число атомов X; E – неподеленная пара электронов; m – количество неподеленных электронных пар.

Металлическая связь. В отличие от ионных и ковалентных соединений металлы обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью. Высокая электропроводность металлов указывает на то, что электроны свободно могут передвигаться во всем его объеме, т.е. металл можно рассматривать как кристалл, в узлах решетки которого расположены ионы, связанные электронами, находящимися в общем пользовании, т. е. в металлах имеет место сильно нелокализованная химическая связь. Совокупность электронов, обеспечивающих эту связь, называют электронным газом.

Более общий подход к представлению об ионных, ковалентных и металлических кристаллах можно получить, применяя представления метода молекулярных орбиталей.

Комплексные соединения

При рассмотрении видов химической связи отмечалось, что силы притяжения возникают не только между атомами, но и между молекулами и ионами. Такое взаимодействие может приводить к образованию новых более сложных комплексных (или координационных) соединений.

Комплексными называют соединения, имеющие в узлах кристаллической решетки агрегаты атомов (комплексы), способные к самостоятельному существованию в растворе и обладающие свойствами, отличными от свойств составляющих их частиц (атомов, ионов или молекул).

В молекуле комплексного соединения (например, K₄[Fe(CN)₆]) различают следующие структурные элементы: ион-комплексообразователь (для данного комплекса Fe), координированные вокруг него присоединенные частицы – лиганды или адденды (CN^-), составляющие вместе с комплексообразователем внутреннюю координационную сферу ([Fe(CN)₆]^4-), и остальные частицы, входящие во внешнюю координационную сферу (K⁺). При растворении комплексных соединений лиганды остаются в прочной связи с ионом-комплексообразователем, образуя почти не диссоциирующий комплексный ион. Число лигандов называется координационным числом (в случае K₄[Fe(CN)₆] координационное число равно 6). Координационное число определяется природой центрального атома и лигандов, а также соответствует наиболее симметричной геометрической конфигурации: 2 (линейная), 4 (тетраэдрическая или квадратная) и 6 (октаэдрическая конфигурация).

Характерными комплексообразователями являются катионы: Fe²⁺, Fe³⁺, Co³⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Ag⁺, Cr³⁺, Ni²⁺. Способность к образованию комплексных соединений связана с электронным строением атомов. Особенно легко образуют комп­лексные ионы элементы d-семейства, например: Ag⁺, Au⁺, Cu²⁺, Hg²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Cd²⁺, Fe³⁺, Co³⁺, Ni²⁺, Pt²⁺, Pt⁴⁺и др. Комплексообразователями могут быть А1³⁺ и некоторые неметаллы, например, Si и В.

Лигандами могут служить как заряженные ионы: F^-, ОН^-, NO₃^-, NO₂^-, Cl^-, Вг^-, I^-, CO₃^2-, CrO₄^2-, S₂O₃^2-, CN^-, PO₄^3- и др., так и электронейтральные полярные молекулы: NH₃, Н₂О, РН₃, СО и др. Если все лиганды у комплексообразователя одинаковы, то ком­плексное соединение однородное,например [Pt(NH₃)₄]Cl₂; если ли­ганды разные, то соединение неоднородное,например [Pt(NH₃)₃Cl]Cl. Между комплексообразователем и лигандами обычно устанав­ливаются координационные (донорно-акцепторные) связи. Они об­разуются в результате перекрывания заполненных электронами орбиталей лигандов вакантными орбиталями центрального атома. В комплексных соединениях донором является комплексообразователь, акцептором – лиганд.

Количество химических связей между комплексообразователем и лигандами определяет координационное число комплексообразователя. Характерные координационные числа: Cu⁺, Ag⁺,Au⁺= 2; Cu²⁺,Hg²⁺,Pb²⁺,Pt²⁺, Pd²⁺ =4; Ni²⁺,Ni³⁺,Co³⁺,А1³⁺ = 4 или 6; Fe²⁺, Fe³⁺, Pt⁴⁺, Pd⁴⁺, Ti⁴⁺, Pb⁴⁺, Si⁴⁺ =6.

Заряд комплексообразователя равен алгебраической сумме зарядов составляющих его ионов, например: [Fe_x(CN)₆]^4-, x + 6(-1) = 4-; x = 2.

Входящие в состав комплексного иона нейтральные молекулы не оказывают влияния на заряд. Если вся внутренняя сфера заполнена только нейтральными молекулами, то заряд иона равен заряду комплексообразователя. Так, у иона [Cu_x(NH₃)₄]²⁺ заряд меди х = 2+. Заряд комплексного иона равен зарядам ионов, находящихся во внешней сфере. В K₄[Fe(CN)₆] заряд [Fe(CN)₆] равен -4, так как во внешней сфере находятся 4 катиона К⁺, а молекула в целом электронейтральна.

Лиганды во внутренней сфере могут замещать друг друга при сохранении одного и того же координационного числа.

Классификация и номенклатура комплексных соединений.Сточки зрения заряда комплексной частицывсе комплексные со­единения можно разделить на катионные, анионные и нейтральные.

Катионные комплексыобразуют катионы металлов, координирую­щие вокруг себя нейтральные или анионные лиганды, причем суммар­ный заряд лигандов меньше по абсолютной величине, чем степень окисления комплексообразователя, например [Co(NH₃)₆]Cl₃. Катионные комплексные со­единения помимо гидроксокомплексов и солей, могут быть кислотами, например H[SbF₆] – гексафторсурьмяная кислота.

В анионных комплексах,напро­тив, лигандов-анионов такое число, что суммарный заряд комплексно­го аниона отрицателен, например [Ni(CO)₄]. В анионных комплексах в качестве лигандов выступают гидроксид-анионы – это гидроксокомплексы(например Na₂[Zn(OH)₄] –тетрагидроксоцинкат калия), или анионы кислотных остатков – это ацидокомплексы(например K₃[Fe(CN)₆] – гексацианоферрат (III) калия).

Нейтральные комплексымогут быть нескольких видов: комплекс нейтрального атома металла с нейтральными лигандами (например Ni(CO)₄ – тетракарбонил никеля, [Сr(С₆Н₆)₂] – дибензолхром). В нейтральных комплексах другого ви­да заряды комплексообразователя и лигандов уравновешивают друг друга (например, [Pt(NH₃)₂Cl₂] – хлорид гексаамминплатины (IV), [Co(NH₃)₃(NO₂)₃] – тринитротриамминкобальт).

Классифицировать комплексные соединения можно по природе лиганда.Среди соединений с нейтральными лигандами различают аквакомплексы, аммиакаты, карбонилы металлов. Ком­плексные соединения, содержащие в качестве лигандов молекулы во­ды, называют аквакомплексами. При кристаллизации вещества из раствора катион захватывает часть молекул воды, которые попадают в кристаллическую решетку соли. Та­кие вещества называются кристаллогидратами, например А1С1₃·6Н₂О. Большинство кристаллогидратов представляет собой аквакомплексы, поэтому их точнее изображать в виде комплексной соли ([А1(Н₂О)₆]С1₃ – хлорид гексаакваалюминия). Комплексные соединения с молекулами аммиака в качестве лиганда называют аммиакатами, например [Pt(NH₃)₆]C1₄ – хлорид гексаамминплатины (IV). Карбонилами металловназывают комплексные соединения, в ко­торых лигандами служат молекулы оксида углерода (II), например, [Fe(CO)₅] – пентакарбонил железа, [Ni(CO)₄] – тетракарбонил никеля.

Известны комплексные соединения с двумя комплексными ионами в молекуле, для которых существует явление координационной изомерии, которая связана с разным распределением лигандов между комплексообразователями, например: [Ni(NH₃)₆][Co(NO₂)₆] – гексанитрокобальтат (III) гексаамминникеля (III).

При составлении названия комплексного соединения применяются следующие правила:

1) если соединение является комплексной солью, то первым называется анион в именительном падеже, а затем катион в родительном падеже;

2) при названии комплексного иона сначала указываются лиганды, затем комплексообразователь;

3) молекулярные лиганды соответствуют названиям молекул (кроме воды и аммиака, для их обозначения применяются терми­ны «аква» и «амин»);

4) к анионным лигандам добавляют окончание – о, например: F^- – фторо, С1^- – хлоро, О₂^- – оксо, CNS^- – родано, NO₃^- – нитрато, CN^- – циано, SO₄^2- – сульфато, S₂O₃^2- – тиосульфато, СО₃^2- – карбонато, РО₄^3- – фосфато, ОН^- – гидроксо;

5) для обозначения количества лигандов используются гречес­кие числительные: 2 – ди-, 3 – три-, 4 – тетра-, 5 – пента-, 6 – гекса-;

6) если комплексный ион – катион, то для названия комплексообразователя используют русское наименование элемента, если анион – латинское;

7) после названия комплексообразователя рим­ской цифрой в круглых скобках указывают его степень окисления;

8) у нейтральных комплексов название центрального атома дается в именительном падеже, а его степень окисления не указывается.

Свойства комплексных соединений. Химические реакции с участием комплексных соединений разделяют на два типа:

1) внешнесферные – при их протекании комплексная частица остается неизменной (реакции обмена);

2) внутрисферные – при их протекании происходят изменения в степени окисления центрального атома, в строении лигандов или изменения в координационной сфере (уменьшение или увеличение координационного числа).

Одним из важнейших свойств комплексных соединений является их диссоциация в водных растворах. Большинство растворимых в воде ионных комплексов – сильные электролиты, они диссоциируют на внешнюю и внутреннюю сферы: K₄[Fe(CN)₆] ↔ 4K⁺ + [Fe(CN)₆]^{4 -}.

Комплексные ионы достаточно устойчивы, они являются слабыми электролитами, ступенчато отщепляя в водный раствор лиганды:

[Fe(CN)₆]^{4 -} ↔[Fe(CN)₅]^3- + CN^- (число ступе­ней равно числу лигандов).

Если суммар­ный заряд частицы комплексного соединения равен нулю, то имеем молекулу неэлектролита, например [Pt(NH₃)₂C1₄].

При обменных реакциях комплексные ионы переходят из од­них соединений в другие, не изменяя своего состава. Электролитическая диссоциация комплексных ионов подчиня­ется закону действующих масс и количественно характеризуется константой диссоциации, которая носит название константы нестой­кости К_н . Чем меньше константа нестойкости комплекса, тем в меньшей сте­пени он распадается на ионы, тем устойчивее это соединение. У соединений, характеризуемых высокой К_н, комплексные ионы неустойчивы, т. е. их практически нет в раство­ре, такие соединения являются двойными солями. Отличие между типичными представителями комплексных и двойных солейзаключается в том, что последние диссоци-ируют с образованием всех ионов, которые входят в состав этой соли, например: KA1(SO₄)₂ ↔ К⁺ + А1³⁺ + 2SO₄^2- (двойная соль);

К [Fe(CN)₆] ↔ 4К⁺ + [Fe(CN)₆]^4- (комплексная соль).

Литература

1. Глинка Н. Л. Общая химия. – М.: Химия, 2006. – 720 с.

2. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. – Л. Химия, 1985. – 264 с.

• ⇐ Назад
• 3
• 4
• 5
• 6
• 7
• 8
• 91011
• 12
• 13
• 14
• 15
• 16
• 17
• 18
• Далее ⇒