Зависимость силы кислот от положения элемента в периодической системе и его степени окисления.

По периоду для кислородосодержащих кислот слева направо возрастает сила кислот. Так, Н₃РО₄ более сильная, чем Н₂SiO₃; в свою очередь, H₂SO₄ более сильная, чем Н₃РО₄.

По группе кислородсодержащих кислот сверху вниз сила кислот уменьшается. Так, угольная кислота (Н₂СО₃) более сильная, чем кремневая (Н₂SiO₃).

Чем выше степень окисления кислотообразующего элемента, тем сильнее кислота: серная кислота (H₂S⁺⁶O₄) сильнее, чем сернистая (H₂S⁺⁴O₃).

Сила бескислородных кислот в главных подгруппах с ростом атомного номера элемента возрастает: HF → HCl → HBr → HI

H₂S → H₂Se → H₂Te

^{СИЛА КИСЛОТ РАСТЕТ}

По периоду слева направо сила бескислородных кислот возрастает. Так HCl более сильная кислота, чем H₂S, а HBr - чем H₂Se.

Учение о химической связи – центральный вопрос современной химии. Без него нельзя понять причин многообразия химических соединений, механизма их образования, строения и реакционной способности.

Образование молекул из атомов приводит к выигрышу энергии, так как в обычных условиях молекулярное состояние устойчивее, чем атомное. Учение о строении атомов объясняет механизм образования молекул, а также природу химической связи. У атомов на внешнем энергетическом уровне может быть от одного до восьми электронов. Если на внешнем уровне содержится максимальное число электронов, которое он может вместить, то такой уровень называют завершенным. Завершенные уровни характеризуются большой прочностью. Такие уровни имеют атомы благородных газов. Атомы других элементов имеют незавершенные энергетические уровни и в процессе химического взаимодействия завершают их.

Химическая связь – это совокупность сил, действующих между атомами или группой атомов. Химическая связь осуществляется валентными электронами. По современным представлениям химическая связь имеет электронную природу, но осуществляется она по-разному. Поэтому различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную, металлическую. Между молекулами возникает водородная связь, и происходят вандерваальсовые взаимодействия.

К основным характеристикам химической связи, относятся:

Длина связи – это межъядерное расстояние между химически связанными атомами. Она зависит от природы взаимодействующих атомов и от кратности связи. С увеличением кратности длина связи уменьшается, а, следовательно, увеличивается ее прочность.

Кратность связи – определяется числом электронных пар, связывающих два атома. С увеличением кратности энергия связи возрастает.

Угол связи – угол между воображаемыми прямыми проходящими через ядра двух химически взаимосвязанных соседних атомов.

Энергия связи (Е_СВ) – это энергия, которая выделяется при образовании данной связи и затрачивается на ее разрыв (кДж/моль).

Химическая связь, образованная путем обобществления
пары электронов двумя атомами, называется ковалентной.

Объяснение химической связи возникновением общих электронных пар между атомами легло в основу спиновой теории валентности, инструментом которой является метод валентных связей (МВС), открытый Льюисом в 1916 году.

Основные принципы образования химической связи по МВС:

1. Химическая связь образуется за счет валентных (неспаренных) электронов.

2. Электроны с антипараллельными спинами, принадлежащие двум различным атомам, становятся общими.

3. Химическая связь образуется только в том случае, если при сближении двух и более атомов полная энергия системы понижается.

4. Основные силы, действующие в молекуле, имеют электрическое, кулоновское происхождение.

5. Связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака.

Существует два механизма образования ковалентной связи.

Обменный механизм. Связь образована путем обобществления валентных электронов двух нейтральных атомов. Каждый атом дает по одному неспаренному электрону в общую электронную пару (рис. 9).

а б

 

Рис.9. Обменный механизм образования ковалентной связи:

а – не полярной; б ‑ полярной.

 

Донорно-акцепторный механизм. Один атом (донор) предоставляет электронную пару, а другой атом (акцептор) предоставляет для этой пары свободную орбиталь (рис. 10).

Соединения образованные по донорно-акцепторному механизму относятся к комплексным соединениям.

 

донор акцептор

 

Рис.10. Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи.

Ковалентная связь имеет определенные характеристики.

Насыщаемость – свойство атомов образовывать строго определенное число ковалентных связей. Благодаря насыщаемости связей молекулы имеют определенный состав.

Направленность – т. е. связь образуется в направлении максимального перекрытия электронных облаков. Относительно линии соединяющей центры атомов образующих связь различают: σ и π (рис. 11).

Рис. 11. Схема перекрывания орбиталей при образовании δ-связей (а, б, в) и π-связей (г)

σ связь – образована перекрыванием АО по линии соединяющей центры взаимодействующих атомов,

π связь- это связь возникающая в направлении оси перпендикулярной прямой соединяющей ядра атома.

Направленность связи обусловливает пространственную структуру молекул, то есть их геометрическую форму.

Гибридизация ‑ это изменение формы некоторых орбиталей при образовании ковалентной связи для достижения более эффективного перекрывания орбиталей. Химическая связь, образуемая с участием электронов гибридных орбиталей, более прочная, чем связь с участием электронов негибридных s- и р-орбиталей, так как происходит большее перекрывание.

Различают следующие виды гибридизации (рис. 12):

sp – гибридизация ‑ одна s- орбиталь и одна p- орбиталь превращаются в две одинаковые "гибридные" орбитали, угол между осями которых равен 180°. Молекулы, в которых осуществляется sp- гибридизация, имеют линейную геометрию (BeCl₂).

sp²гибридизация. ‑одна s- орбиталь и две p- орбитали превращаются в три одинаковые "гибридные" орбитали, угол между осями которых равен 120°. Молекулы, в которых осуществляется sp²- гибридизация, имеют плоскую геометрию. (BF₃, AlCl₃).

sp³гибридизация ‑ одна s- орбиталь и три p- орбитали превращаются в четыре одинаковые "гибридные" орбитали, угол между осями которых равен 109°28'. Молекулы, в которых осуществляется sp³- гибридизация, имеют тетраэдрическую геометрию (CH₄, NH₃).

 

а	б
в

 

Рис. 12. Виды гибридизаций валентных орбиталей: а ‑ sp -гибридизация валентных орбиталей; б – sp² –гибридизация валентных орбиталей; в ‑ sp ³ –гибридизация валентных орбиталей

 

Полярность - если электронная плотность расположена симметрично между атомами, ковалентная связь называется неполярной (рис.9.а), если электронная плотность смещена в сторону одного из атомов, то ковалентная связь называется полярной (рис.9.б). Полярность связи тем больше, чем больше разность электроотрицательностей атомов, молекула называется диполем.

Диполь – это система, в которой имеется два электрических заряда, равных по величине, но противоположных по знаку, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.

Произведение длины диполя (l), т.е. расстояния между полюсами в молекуле, на величину заряда электрона (ē) называется дипольным моментом (μ).

Дипольный момент молекулы служит количественной мерой ее полярности. Дипольные моменты молекул измеряют в дебаях (D). 1D = 3,33 · 10^-30 Кл·м.

(58)

Чем больше длина диполя (дипольный момент), тем больше полярность молекулы (, и др.).

Дипольный момент направлен от положительного конца диполя к отрицательному. Поэтому дипольный момент многоатомной молекулы следует рассматривать как векторную сумму дипольных моментов связей: он зависит не только от полярности каждой связи, ни и от взаимного расположения этих связей.

Поляризуемость – способность молекулы становиться полярной. Данное явление происходит под действием внешнего электрического поля или под влиянием другой молекулы, являющейся партнером по реакции.

Существует обратная зависимость между полярностью и поляризуемостью ковалентной связи: чем больше полярность связи, тем меньше остается возможности для их дальнейшего смещения под действием внешних сил.

Для квантово-механического описания химической связи и строения молекул применяют еще один метод – метод молекулярных орбиталей (ММО). Данный метод исходит из предположения, что состояние электронов в молекуле может быть описано как совокупность молекулярных электронных орбиталей, причем каждой молекулярной орбитали (МО) соответствует определенный набор молекулярных квантовых чисел.

Основные положения метода МО:

1. Молекулярная орбиталь (МО) является аналогом атомной орбитали (АО): подобно тому, как электрны в атомах располагаются на АО, общие электроны в молекуле располагаются на МО.

2. Для образования МО атомные орбитали должны обладать приблизительно одинаковой энергией и симметрией относительно направления взаимодействия.

3. Число МО равно общему числу АО, из которых комбинируются МО.

4. Если энергия МО оказывается ниже энергии исходных АО, то такие МО называются связывающие, а если выше энергии исходных АО, то – разрыхляющие МО (рис. 13).

5. Электроны заполняют МО, как и АО в порядке возрастания энергии, при этом соблюдается принцип Паули и правило Гунда.

Рис. 13. Энергетическая диаграмма образования МО из двух АО

6. МО двухатомных молекул первого периода и второго (до N₂) располагают в ряд:

σ_связ1s < σ_разр1s < σ_связ2s < σ_разр2s < π_связ2р_y = π_связ2р_z < σ_связ2p_x < π_разр2р_y = π_разр2р_z < σ_разр2p_x.

МО двухатомных молекул конца второго периода по возрастанию энергии располагают: σ_связ1s < σ_разр1s < σ_связ2s < σ_разр2s < σ_связ2p_x < π_связ2р_y = π_связ2р_z < π_разр2р_y = π_разр2р_z < σ_разр2p_x.

7. В методе МО вместо кратности связи вводится понятие порядок связи (n) – полуразность числа связывающих и числа разрыхляющих электронов:

(59)

Порядок связи может быть равен нулю, целому или дробному положительному числу. При n = 0 молекула не образуется.

8. Если на МО имеются неспаренные электроны, молекула парамагнитна, т.е. обладает магнитными свойствами. Если все электроны спарены – диамагнитна, т.е. не обладает магнитными свойствами.

ММО по сравнению с МВС позволяет получить реальные представления о химической связи и свойствах различных частиц (молекул, ионов). Электронные конфигурации молекул рассмотрим на примере образования химической связи двухатомной молекулы водорода, представленного через электронную формулу: 2Н[1s¹] → H₂ [(σ_связ1s)²].

Как видно (рис. 14), из двух s-орбиталей образуется две МО: одна связывающая и одна разрыхляющая. При этом МО принадлежат к σ-типу: они образованы взаимодействием s-орбиталей. Порядок связи:

Характеризуя ММО и МВС, необходимо заметить, что оба квантово-

Рис. 14. Энергетическая диаграмма образования МО водорода из двух АО

механических подхода к описанию химической связи – приближены. ММО придает преувеличенное значение делокализации электрона в молекуле и основывается на одноэлектронных волновых функциях – молекулярных орбиталях. МВС преувеличивает роль локализации электронной плотности и основывается на том, что элементарная связь осуществляется только парой электронов между двумя атомами.

Сравнивая МВС и ММО, следует отметить, что достоинством первого является его наглядность: насыщаемость связи объясняется как максимальная ковалентность, направленность вытекает из направленности атомных и гибридных орбиталей; дипольный момент молекулы складывается из дипольных моментов связей, разности ОЭО атомов, образующих молекулу, и наличия неподеленных электронных пар.

Однако существование некоторых соединений невозможно объяснить с позиции МВС. Это электрон-дефицитные соединения (Н₂⁺) и соединения благородных газов. Их строение легко объясняет ММО. Устойчивость молекулярных ионов и атомов в сравнении с молекулами легко предсказывается с позиции ММО. И, наконец, магнетизм и окраска вещества также легко объясняются ММО.

Количественные расчеты в ММО, несмотря на свою громоздкость, все же гораздо проще, чем в МВС. Поэтому в настоящее время в квантовой химии МВС почти не применяется. В тоже время качественно выводы МВС гораздо нагляднее и шире используются экспериментаторами, чем ММО. Основанием для этого служит тот факт, что реально в молекуле вероятность пребывания данного электрона между связанными атомами гораздо больше, чем на других атомах, хотя и там она не равна нулю. В конечном счете, выбор метода определяется объектом исследования и поставленной задачей.

Ионная (электровалентная) связь -это сильнополярная ковалентная связь. В ее основе лежит электростатическое взаимодействие ионов. Согласно ей, атомы элементов с числом электронов в наружном слое меньше восьми присоединяют или теряют такое число электронов, которое делает наружный электронный слой таким, как у атома ближайшего инертного газа.

Атом, потерявший электроны, превращается в положительно заряженный ион (катион). Атом, присоединивший электроны, становится отрицательно заряженным ионом (анион). Разноименно заряженные ионы притягиваются друг к другу (рис. 15).

Рис. 15. Образование хлорида натрия из простых веществ

Возникновение ионной связи имеет место только в том случае, если элементы, атомы которых реагируют между собой, обладают резко отличными значениями энергии ионизации и сродства к электрону. Ионных соединений немного. Они обладают основными свойствами: в расплавленном состоянии обладают электропроводностью, в воде легко диссоциируют на ионы (растворяются), имеют высокую температуру плавления и кипения.

Ионная связьхарактеризуется следующими показателями:

Ненаправленность. Ионы – заряженные шары, их силовые поля равномерно распределяются во всех направлениях в пространстве, поэтому они притягивают противоположный по знаку ион в любом направлении.

Ненасыщаемость. Взаимодействие двух ионов не может привести к полной взаимной компенсации их силового поля. Поэтому у них сохраняется способность притягивать ионы противоположного знака и по другим направлениям. Так, ионный кристалл ( ) является гигантской молекулой из ионов. Из отдельных молекул ионные соединения состоят только в парообразном состоянии.

Металлическая связь основана на обобществлении валентных электронов, принадлежащих не двум, а практически всем атомам металла в кристалле.

В металлах валентных электронов намного меньше, чем свободных орбиталей. Это создает условия для свободного перемещения электронов по орбиталям разных атомов металла. Внутри металла происходит непрерывное хаотичное движение электронов от атома к атому, то есть электроны становятся общими. При создании разности потенциалов происходит согласованное движение электронов – это объясняет электрическую проводимость данных веществ. В металлах небольшое число электронов одновременно связывает множество атомных ядер – эта особенность называется делокализацией. Данный тип связи характерен для веществ, находящихся в твердом или жидком состоянии.

Водородная связь – одна из разновидностей взаимодействия между полярными молекулами, бывает внутри- и межмолекулярной (рис.16).

 

а	б

Рис.16. Образование водородной связи: а – внутримолекулярной;

б – межмолекулярной.

Она образуется между электроотрицательными атомами одной молекулы и атомами водорода другой, типа Н-Х (Х – это F, O, N, Cl, Br, I) за счет сил электростатического притяжения. Связь между водородом и одним из этих атомов характеризуется достаточной полярностью, поскольку связующее электронное облако смещено в сторону более электроотрицательного атома. Водород в данном случае расположен на положительном конце диполя. Два и более таких диполя взаимодействуют между собой так, ядро атома водорода одной молекулы (положительный конец диполя) притягивается неподеленной электронной парой второй молекулы. Данная связь проявляется в газах, жидкостях и твердых телах. Она относительно прочна. Понижение температуры способствует образованию водородной связи. Наличие водородной связи обусловливает повышение устойчивости молекул вещества, а также повышению их температуры кипения и плавления. Образование водородных связей играет важную роль, как в химических, так и в биологических системах.

Разные агрегатные состояния веществ свидетельствует о том, что между частицами (атомами, ионами, молекулами) имеет место взаимодействие, обусловленное ван-дер-ваальсовыми силами притяжения. Наиболее важной и отличительной чертой этих сил является их универсальность, так как они действуют без исключения между всеми атомами и молекулами.

Межмолекулярные силы (Ван-дер-ваальсовые силы) – взаимодействие между молекулами, в результате которого вещество переходит в жидкое или твердое состояние. Межмолекулярные силы имеют электрическую природу. Они обусловлены полярностью и поляризуемостью молекул. Различают три типа межмолекулярного взаимодействия: дипольное, индукционное, дисперсионное (рис. 17).

При ориентационном (дипольном). взаимодействии полярные молекулы, сближаясь, ориентируются относительно друг друга противоположно заряженными концами диполей. Чем более полярны молекулы, тем прочнее взаимодействие. При повышении температуры ориентационное взаимодействие уменьшается, так как тепловое движение молекул нарушает ориентацию.

При индуцированным взаимодействии происходит взаимное притяжение полярных и неполярных молекул. Постоянный диполь полярной молекулы создает в неполярной временный диполь (за счет деформации электронного облака), благодаря которому и происходит взаимодействие. Оно не зависит от температуры, зависит от напряженности электрического поля полярной молекулы.

Сближение двух неполярных молекул приводит к дисперсионному взаимодействию. Оно возникает вследствие вращения электронов и колебательного движения атомных ядер, в атоме возникают небольшие мгновенные деформации электронного облака, создающие асимметрию в распределении зарядов, возникают мгновенные диполи. На дисперсионном взаимодействии основан процесс сжижения благородных газов и двухатомных элементарных газов.

Рис. 17. Межмолекулярные взаимодействия молекул:

а – ориентационное; б – индукционное; в – дисперсионное

В молекулах, образованных более чем двумя атомами различных элементов существуют разные типы связей.

Энергия межмолекулярного взаимодействия намного меньше энергии химических связей (8-47 кДж/моль), она быстро уменьшается при увеличении расстояния между молекулами, однако, ее достаточно для стягивания молекул веществ в агрегаты. Ван-дер-ваальсовые силы проявляются при переходе вещества из газообразного состояния в жидкое, при кристаллизации сжиженных газов, адсорбции и других процессов.

Вещество может существовать в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Плазму часто называют четвертым агрегатным состоянием. Свойства веществ зависят от агрегатного состояния (табл. 32).

Таблица 32