Что такое свободная орбиталь

Ковалентные неполярные и полярные связи

Что такое ковалентная связь

На примере ковалентных связей удобно описывать механизм химической связи в целом. Впервые это сделал американский ученый Гилберт Льюис, анализируя взаимодействие между частицами в молекулах водорода, азота, кислорода и других простых неметаллов.

Как происходит такое взаимодействие? Атом водорода отличается очень простым строением — его электронное облако или орбиталь содержит лишь один свободный (валентный) электрон. При сближении двух атомов водорода их орбитали пересекаются и начинают частично перекрывать друг друга.

Свободные электроны на этих орбиталях объединяются в пару, которая принадлежит обоим участникам взаимодействия. Это и есть процесс образования ковалентной связи. По ее итогам каждый атом имеет уже два электрона и приобретает устойчивую внешнюю оболочку.

Ковалентная связь — это образование общей электронной пары у двух атомов вещества при сближении ядер этих атомов.

В зависимости от того, будет ли пара принадлежать обоим атомам в равной мере или сместится к одному из них, ковалентная связь бывает полярной или неполярной.

Ковалентная неполярная связь

Приведенный выше пример с атомами водорода иллюстрирует ковалентную неполярную связь. Образованная пара электронов находится на общей молекулярной орбитали и принадлежит обоим атомам. Это происходит потому, что в простых веществах взаимодействуют атомы с одинаковой электроотрицательностью (ЭО), т. е. они имеют равную способность притягивать электроны.

Ковалентная неполярная связь — это такое взаимодействие двух атомов, при котором их общая пара электронов равноудалена от атомных ядер и одинаково принадлежит обоим атомам. Другими словами, электронная плотность (область, в которой наиболее вероятно нахождение электронов) распределена равномерно.

Ковалентная неполярная связь образуется между атомами элементарных веществ с одинаковой ЭО.

Интересный пример ковалентной связи этого типа — молекула ромбической серы S₈. У атома серы есть 2 свободных электрона, поэтому он может образовать 2 связи. Это простое вещество, а значит, все атомы будут притягивать электроны с одинаковой силой.

Формула данного вещества с ковалентной неполярной связью:

Ковалентная полярная связь

Мы рассмотрели, как проходит ковалентная химическая связь в молекулах, где все частицы одинаковы. Но если сблизить два атома с разной ЭО — например, водорода и хлора, получится другая картина. Поскольку у хлора ЭО выше и он притягивает электроны немного сильнее, чем водород, общая пара смещается в его сторону. Другими словами, у такой химической связи есть полярность.

Атом, принимающий электроны (в данном случае хлор), приобретает условно отрицательный заряд. Второй же атом, отдающий валентные электроны, заряжается положительно.

Ковалентная полярная связь — это электронный обмен между двумя атомами в молекуле вещества, при котором общая пара электронов смещается к одному атому (более электроотрицательному). Электронная плотность распределена неравномерно.

Ковалентная полярная связь образуется между атомами неметаллов с разной ЭО в составе сложных веществ.

Проиллюстрируем все, о чем сказано в определении ковалентной полярной связи, на примерах.

В молекуле аммиака NH₃ атом азота имеет 3 свободных электрона, т. е. может образовать 3 химические связи. Поскольку это сложное вещество, состоящее из атомов неметаллов, можно говорить о полярности. Атом азота имеет общие электронные пары с тремя атомами водорода. При этом азот обладает более высокой ЭО, чем водород, поэтому электронная плотность смещена в его сторону.

Формула данного вещества с ковалентной полярной связью:

Механизмы образования ковалентной связи

Не всегда взаимодействие атомов происходит так, как в молекуле водорода. Иногда один атом отдает оба электрона, а второй забирает их на свою свободную орбиталь. В зависимости от этого выделяют два механизма ковалентной связи:

Обменный механизм — объединение в пару свободных электронов от взаимодействующих атомов (по одному электрону от каждого).

Донорно-акцепторный механизм — процесс, при котором атом-донор отдает два электрона, а атом-акцептор предоставляет для них орбиталь.

Химическую связь, образованную по донорно-акцепторному принципу, можно рассмотреть на примере молекулы катиона аммония. В данном случае атом азота, который содержится в аммиаке NH₃, имеет неподеленную пару электронов и является донором. Он передает эти электроны на орбиталь атома водорода — акцептора. В результате такой связи образуется молекула NH₄ + в форме тетраэдра, где углы представлены четырьмя атомами водорода.

Вещества, в молекулах которых есть хотя бы одна ковалентная химическая связь, осуществляемая по донорно-акцепторному принципу:

Источник

ОРБИТАЛЬ

ОРБИТАЛЬ – область наиболее вероятного местонахождения электрона в атоме (атомная орбиталь) или в молекуле (молекулярная орбиталь).

Электрон движется в атоме вокруг ядра не по фиксированной линии-орбите, а занимает некоторую область пространства. Например, электрон в атоме водорода может с определенной вероятностью оказаться либо весьма близко к ядру, либо на значительном удалении, однако существует определенная область, где его появление наиболее вероятно. Графически орбиталь изображают в виде поверхности, очерчивающей область, где вероятность появления электрона наибольшая, иначе говоря, электронная плотность максимальна. У атома водорода орбиталь электрона имеет сферическую (шаровую) форму:

К настоящему моменту описано пять типов орбиталей: s, p, d, f и g. Названия первых трех сложились исторически, далее был выбран алфавитный принцип. Формы орбиталей вычислены методами квантовой химии.

Орбитали существуют независимо от того, находится на них электрон (занятые орбитали), или отсутствует (вакантные орбитали). Атом каждого элемента, начиная с водорода и заканчивая последним полученным на сегодня элементом, имеет полный набор всех орбиталей на всех электронных уровнях. Их заполнение электронами происходит по мере увеличения порядкового номера, то есть, заряда ядра.

s-Орбитали, как было показано выше, имеют сферическую форму и, следовательно, одинаковую электронную плотность в направлении каждой оси трехмерных координат:

На первом электронном уровне каждого атома находится только одна s-орбиталь. Начиная со второго электронного уровня помимо s-орбитали появляются также три р-орбитали. Они имеют форму объемных восьмерок, именно так выглядит область наиболее вероятного местонахождения р-электрона в районе атомного ядра. Каждая р-орбиталь расположена вдоль одной из трех взаимоперпендикулярных осей, в соответствии с этим в названии р-орбитали указывают с помощью соответствующего индекса ту ось, вдоль которой располагается ее максимальная электронная плотность:

В современной химии орбиталь – определяющее понятие, позволяющее рассматривать процессы образования химических связей и анализировать их свойства, при этом внимание сосредотачивают на орбиталях тех электронов, которые участвуют в образовании химических связей, то есть, валентных электронов, обычно это электроны последнего уровня.

У атома углерода в исходном состоянии на втором (последнем) электронном уровне находится два электрона на s-орбитали (отмечены синим цветом) и по одному электрону на двух р-орбиталях (отмечены красным и желтым цветом), третья орбиталь – р_z-вакантная:

Гибридизация.

В том случае, когда атом углерода участвует в образовании насыщенных соединений (не содержащих кратных связей), одна s-орбиталь и три р-орбитали объединяются, образуя новые орбитали, представляющие собой гибриды исходных орбиталей (процесс называют гибридизацией). Количество гибридных орбиталей всегда равно количеству исходных, в данном случае, четыре. Получившиеся орбитали-гибриды одинаковы по форме и внешне напоминают асимметричные объемные восьмерки:

Вся конструкция оказывается как бы вписанной в правильный тетраэдр – призма, собранная из правильных треугольников. При этом орбитали-гибриды располагаются вдоль осей такого тетраэдра, угол между любыми двумя осями – 109°. Четыре валентных электрона углерода располагаются на этих гибридных орбиталях:

Участие орбиталей в образовании простых химических связей.

Свойства электронов, разместившихся на четырех одинаковых орбиталях, эквивалентны, соответственно, будут эквивалентны химические связи, образованные с участием этих электронов при взаимодействии с атомами одного типа.

Взаимодействие атома углерода с четырьмя атомами водорода сопровождается взаимоперекрыванием вытянутых гибридных орбиталей углерода со сферическими орбиталями водородов. На каждой орбитали находится по одному электрону, в результате перекрывания каждая пара электронов начинает перемещаться по объединенной – молекулярной орбитали.

В традиционном написании структуры образовавшегося метана вместо перекрывающихся орбиталей используют символ валентной черты. Для объемного изображения структуры валентность, направленную от плоскости чертежа к зрителю показывают в виде сплошной клиновидной линии, а валентность, уходящую за плоскость рисунка – в виде штриховой клиновидной линии:

Таким образом, структура молекулы метана определяется геометрией гибридных орбиталей углерода:

Образование молекулы этана аналогично показанному выше процессу, отличие состоит в том, что при взаимоперекрывании гибридных орбиталей двух атомов углерода происходит образование С-С – связи:

Участие орбиталей в образовании кратных химических связей.

Молекула этилена образована также с участием орбиталей-гибридов, однако в гибридизации участвуют одна s-орбиталь и только две р-орбитали (р_х и р_у), третья орбиталь – p_z, направленная вдоль оси z, в образовании гибридов не участвует. Из исходных трех орбиталей возникают три гибридных орбитали, которые располагаются в одной плоскости, образуя трехлучевую звезду, углы между осями – 120°:

Вторая валентная черта в обозначении двойной связи, широко используемая для изображения ненасыщенных соединений уже не одно столетие, в современном понимании подразумевает наличие двух областей с повышенной электронной плотностью, расположенных по разные стороны линии связи С-С.

Структура молекулы этилена задана геометрией гибридных орбиталей, валентный угол Н-С-Н – 120°:

При образовании ацетилена в гибридизации участвует одна одна s-орбиталь и одна р_x-орбиталь (орбитали p_yи p_z, в образовании гибридов не участвуют). Две образовавшиеся гибридные орбитали располагаются на одной линии, вдоль оси х:

В итоге молекула ацетилена имеет палочкообразную форму:

У бензола остов молекулы собран из атомов углерода, имеющих гибридные орбитали, составленные из одной s— и двух р-орбиталей, расположенные в форме трехлучевой звезды (как у этилена), р-орбитали, не участвующие в гибридизации, показаны полупрозрачными:

Шесть оставшихся р-орбиталей взаимоперекрываются, образуя молекулярную орбиталь в виде двух кольцевых областей, над и под плоскостью бензольного цикла:

Возникает единая замкнутая электронная система (см. также АРОМАТИЧНОСТЬ).

Молекула бензола плоская, что задано плоской конфигурацией «трехлучевых звезд», из которых она собрана. Молекулярную орбиталь, образованную перекрыванием шести атомных р-орбиталей обозначают в виде кольцевого символа внутри бензольного цикла:

В образовании химических связей могут также участвовать вакантные, то есть, не содержащие электронов орбитали (см. также ТРЕХЦЕНТРОВЫЕ СВЯЗИ).

Орбитали высоких уровней.

Начиная с четвертого электронного уровня, у атомов появляются пять d-орбиталей, их заполнение электронами происходит у переходных элементов, начиная со скандия. Четыре d-орбитали имеют форму объемных четырехлистников, называемых иногда «клеверным листом», они отличаются лишь ориентацией в пространстве, пятая d-орбиталь представляет собой объемную восьмерку, продетую в кольцо:

d-Орбитали могут образовывать гибриды с s- и p-орбиталями. Параметры d-орбиталей обычно используют при анализе строения и спектральных свойств в комплексах переходных металлов.

Начиная с шестого электронного уровня, у атомов появляются семь f-орбиталей, их заполнение электронами происходит в атомах лантаноидов и актиноидов. f-Орбитали имеют довольно сложную конфигурацию, ниже на рисунке показана форма трех из семи таких орбиталей, имеющих одинаковую форму и ориентированных в пространстве различным образом:

f-Орбитали весьма редко используют при обсуждении свойств различных соединений, поскольку расположенные на них электроны практически не принимают участия в химических превращениях..

Перспективы.

На восьмом электронном уровне находится девять g-орбиталей. Элементы, содержащие электроны на этих орбиталях, должны появится в восьмом периоде, пока они недоступны (в ближайшее время ожидается получение элемента № 118, последнего элемента седьмого периода Периодической системы, его синтез проводят в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне).

Форма g-орбиталей, вычисленная методами квантовой химии, еще более сложная, чем у f-орбиталей, область наиболее вероятного местонахождения электрона в данном случае выглядит весьма причудливо. Ниже показан внешний вид одной из девяти таких орбиталей:

В современной химии представления об атомных и молекулярных орбиталях широко используют при описании строения и реакционных свойств соединений, также при анализе спектров различных молекул, в некоторых случаях – для прогнозирования возможности протекания реакций.

Источник

Строение атома. Гибридизация орбиталей

Обычно в начале статьи пишут краткий план того, о чем пойдет речь в статье. Еще добавляют зачем и почему на нее нужно тратить время. Но здесь такого не будет, потому что я не уверен — нужна ли она вообще.

Но я расскажу историю. Вообще статья должна была быть про белок, как формируется первичная, вторичная структура, ну и так далее. И вот идет подготовка материала, а там довольно большую роль играет электроотрицательность. На самом деле не очень и большую, но все-таки роль у нее есть. И вот мне стало интересно, а как она формируется? Ты конечно знаешь, что она растет в периодической таблице слева направо и зависит от радиуса атома. Но почему? В общем-то эти вопросы привели меня к строению атома и закону Кулона. Поэтому сейчас мы устроим маленькое путешествие в химию и физику. Начнем со строения атома. А уже в следующей статье будем разбираться с электроотрицательностью.

Планетарная модель строения атома от Резерфорда

Это модель ключевая, потому что на ее основе строились все остальные. Вообще Резерфорд крутой мужик, который очень любил всякие опыты. Вот один из них:

Какие выводы делает Резерфорд из этого опыта? Он предполагает, что основная масса атома сосредоточена в его ядре — когда альфа-частицы попадают в него, то отскакивают в обратную сторону. Ядро очень маленькое и заряжено положительно, а вокруг него по орбитам летают отрицательно заряженные электроны. Он называет это планетарной моделью. Очень красиво, согласитесь? Мы живем в мире, который находится в солнечной системе. А атомы, из которых состоит все вокруг, имеют строение такой же системы.

Это все очень поэтично и красиво, но есть парочка проблем:

Были и еще проблемы, но это основные. Как же их решить?

Полуклассическая модель атома по Бору

Появляется второй крутой мужик. Может быть, он даже круче первого, потому что говорит такое — от чего волосы у физиков встают дыбом. Бор взял модель атома по Резерфорду и сказал что-то вроде: «Давайте предположим, что электроны движутся по орбитам, но никакую энергию они не излучают. Но если электрон перепрыгивает с одной орбиты на другую, то он выделяет энергию — фотоны. Это и есть спектр!»

Бор назвал состояние атома, когда его электроны движутся по свои орбитам, стационарным состоянием. При перепрыгивании одного электрона на другую орбиту атом становится возбужденным и может выделять энергию. Атом становится возбужденным не просто так — он поглощает какую-то энергию извне, она представляет собой фотон или фотоны.

Переведем Бора на язык физиков: “Вся ваша физика полная туфта. Атому на нее плевать, он живет по другим законам”. И все как бы в шоке, но больше всех Эйнштейн — он становится главным хейтером Бора. Но экспериментально модель Бора подтверждается.

Модель Бора чем-то похожа на дом. Представьте себе панельку. Если электрон упадет с 7 этажа на первый, то он выделит энергию — это и есть фотон. А вот если зарядить как следует атом, то электрон может прыгнуть с первого этажа на пятый. Чем больше зарядишь, тем выше прыгнет. Чем с большей высоты упадет, тем больше выделит энергии. Примерно так. Оказалось, что Бор был прав и дальше мы это увидим.

Резерфорд, кстати, сделал предположение, что ядро состоит из положительно заряженных протонов. Но Резерфорд и Бор еще не знали, от чего зависит количество электронов и протонов, но с этим разберутся попозже.

Современная модель атома

Ну а дальше началось самое интересное — физики взяли модель атома по Бору и добавили к ней своего добра. Так получилась современная модель атома. Конец! Ну или не совсем. Атом состоит из ядра и электронной оболочки. Начинаем с ядра.

Ядро атома

У атома есть ядро, которое состоит из протонов и нейтронов. Протоны заряжены положительно, а у нейтронов заряда нет. Количество протонов и электронов равно — зависит от порядкового номера в таблице Менделеева. Если это атом азота, то у него 7 протонов и 7 электронов. Нейтрон такому правилу не подчиняется — их может быть больше, а может и меньше. Протон и нейтрон весят в примерно 1800 раз больше, чем электрон. Поэтому основная масса атома находится в ядре.

На самом деле протон и нейтрон состоят из других частиц, но не будем слишком глубоко копать. Можешь почитать, если интересно.

Электронная оболочка

Электронная оболочка — это все электроны атома. Она состоит из слоев, на которых располагается какая-то часть электронов.

Каждый слой состоит из орбиталей. Заметили? Не орбит, а орбиталей. Орбита — это траектория движения тела, на которой в какой-то момент времени можно его встретить. Помните круговые поливалки в деревне? Вода из них движется по определенной траектории. Можно встать и подождать пока тебя польют в жаркий день. Орбиталь — это другое дело, на ней электрон проводит 90 процентов времени, но как он там движется — одному ему известно. Поэтому можно стоять очень долго, но так и не дождаться пока тебя польют. Пример не очень, согласен. Лучше бы привел Луну или какую-нибудь планету, но вы поняли…

Есть 4 вида орбиталей: s, p, d и f. S- это сфера, p — бесконечность или гантелька, d и f сложнее. Я их рисовать не буду, потому что они нас не интересуют. P-орбиталей всегда 3 — p_x, p_y, p_z.

Слои электронной оболочки

Теперь подробнее про слои. Первый слой состоит только из одной орбитали — s. Второй слой: одна s и три p орбиталей. Третий слой — одна s, три p и пять d орбиталей. Ну а на четвертом за 5d орбиталями добавятся еще 7f. Количество слоев зависит от количества электронов, а значит от порядкового номера атома.

Тут есть определенные правила:

Добавим к атому лития, который я показывал до этого, орбитали и получим что-то такое.

Можно еще попробовать свести орбитали в один рисунок, смотрите.

Электронная формула и орбитали атома кислорода

Химические связи чаще всего образуются за счет неспаренных электронов, но подробнее об этом поговорим в следующей статье. А сейчас нас интересует углерод и гибридизация его орбиталей.

Гибридизация орбиталей

Сначала посмотрим на электронную формулу углерода и вспомним о Боре. В стационарном состоянии у углерода всего два электрона на 2p-орбиталях. Однако, если атом углерода поглотит энергию фотона, то электрон с 2s-орбитали может перейти на 2p-орбиталь — атом углерода становится возбужденным. В таком состоянии он может образовать 4 связи, т.к. у него 4 неспаренных электрона.

И тут встал вопрос. Атом углерода в возбужденном состоянии может образовать четыре связи, так как у него четыре неспаренных электрона. Но энергия связей будет разной, потому что эти электроны располагаются на разных орбиталях (у p орбитали энергия побольше). Это не очень хорошо сказывается на стабильности системы. Как выйти из этого положения? Атом придумал интересную штуку — он изменил форму и размеры орбиталей. Это и есть гибридизация.

У азота есть одна неподеленная электронная пара на втором энергетическом слое, а именно на 2s-орбитали — там находится два электрона и третий туда уже не засунуть. Но азот может отдать протону водорода один электрон по донорно-акцептерному механизму и образовать связь. Так возникает ион аммония. Такая же тема с водой, но кислород не может отдать по электрону от каждой электронной пары — только с одной! Так образуется ион гидроксония.

sp 2 и sp-гибридизация

Куда пропала p-связь? Ну ладно, держите формулу этилена со всеми связями.

На рисунке видно, что p-орбитали без гибридизации находятся над и под плоскостью, они образуют сигма-связь — эта связь более жесткая, чем пи-связь. Поэтому вращение вокруг нее ограничено.

sp-гибридизацию нарисовать не смогу, сорян. Но смысл вы поняли: без изменений останутся две p-орбитали, а две sp-орбитали будут похожи на палочку — угол между ними будет 180 градусов. Одна p-орбиталь будет идти над плоскостью, а другая смотреть в лицо. Надеюсь, что у тебя получилось представить. Едем дальше.

Атомный остов

Электронный слой бывает завершенным или незавершенным:

Заряд ядра атома (количество протонов) + заряд завершенных слоев (количество электронов) = атомный остов. Картинка….

У кислорода заряд атомного остова больше, чем у натрия. Это нам понадобится, когда будем считать электроотрицательность.

Фух, со строением атома закончили. Поздравляю всех, кто дочитал до этого момента. Дальше можно переходить к электроотрицательности, но это уже в следующей статье.

Хочешь задать вопрос, похвалить или наговорить гадостей? Тогда залетай в телегу. Там ты сможешь предложить новый формат или разбор темы. А если серьёзно, то эти статьи пишутся для вас, поэтому мне важна обратная связь.

Источник