Ковалентная связь в органических соединениях

Свой­ства связи (по­ляр­ность, длина, энер­гия, на­прав­лен­ность)

1. Образование ковалентной связи

Хи­ми­че­ская связь имеет в ос­нов­ном элек­тро­ста­ти­че­ский ха­рак­тер. На­при­мер, мо­ле­ку­ла во­до­ро­да об­ра­зу­ет­ся из двух ато­мов, по­то­му что двум элек­тро­нам энер­ге­ти­че­ски вы­год­но на­хо­дить­ся в поле при­тя­же­ния двух ядер (про­то­нов). Это со­сто­я­ние в виде мо­ле­ку­лы Н2 об­ла­да­ет мень­шей энер­ги­ей по срав­не­нию с двумя от­дель­ны­ми ато­ма­ми во­до­ро­да.

Боль­шин­ство ор­га­ни­че­ских ве­ществ со­дер­жат ко­ва­лент­ные связи.

Для об­ра­зо­ва­ния ко­ва­лент­ной связи между двумя ато­ма­ми каж­дый атом обыч­но предо­став­ля­ет в общее поль­зо­ва­ние по од­но­му элек­тро­ну.

В упро­щен­ной мо­де­ли ис­поль­зу­ет­ся двух­элек­трон­ное при­бли­же­ние, т.е. все мо­ле­ку­лы стро­ят­ся на ос­но­ва­нии сум­ми­ро­ва­ния двух элек­трон­ных свя­зей, ха­рак­тер­ных для мо­ле­ку­лы во­до­ро­да.

С точки зре­ния за­ко­на вза­и­мо­дей­ствия элек­три­че­ских за­ря­дов (закон Ку­ло­на) элек­тро­ны не могут сбли­зить­ся из-за огром­ных сил элек­тро­ста­ти­че­ско­го от­тал­ки­ва­ния. Но, со­глас­но за­ко­нам кван­то­вой ме­ха­ни­ки, элек­тро­ны с про­ти­во­по­лож­но на­прав­лен­ны­ми спи­на­ми вза­и­мо­дей­ству­ют друг с дру­гом и об­ра­зу­ют элек­трон­ную пару.      

Если ко­ва­лент­ную связь обо­зна­чать как пару элек­тро­нов, по­лу­чим еще один вид за­пи­си фор­му­лы ве­ще­ства – элек­трон­ную фор­му­лу или фор­му­лу Лью­и­са

(амер. Дж. Льюис, 1916 г.). Рис. 1.

Фор­му­лы Лью­и­са

Рис. 1. Фор­му­лы Лью­и­са

В ор­га­ни­че­ских мо­ле­ку­лах име­ют­ся не толь­ко оди­нар­ные связи, но еще двой­ные и трой­ные. В фор­му­лах Лью­и­са их обо­зна­ча­ют, со­от­вет­ствен­но, двумя или тремя па­ра­ми элек­тро­нов. Рис. 2

Обо­зна­че­ние двой­ной и трой­ной свя­зей

Рис. 2. Обо­зна­че­ние двой­ной и трой­ной свя­зей

2. Полярность химической связи

Ко­ва­лент­ная непо­ляр­ная связь

Рис. 3. Ко­ва­лент­ная непо­ляр­ная связь

Важ­ной ха­рак­те­ри­сти­кой ко­ва­лент­ной связи яв­ля­ет­ся ее по­ляр­ность. Связь между оди­на­ко­вы­ми ато­ма­ми, на­при­мер в мо­ле­ку­ле во­до­ро­да или между ато­ма­ми уг­ле­ро­да в мо­ле­ку­ле этана непо­ляр­ная – в ней элек­тро­ны в рав­ной сте­пе­ни при­над­ле­жат обоим ато­мам.  См. Рис. 3.

Ко­ва­лент­ная по­ляр­ная связь

Рис. 4. Ко­ва­лент­ная по­ляр­ная связь

Если же ко­ва­лент­ная связь об­ра­зо­ва­на раз­лич­ны­ми ато­ма­ми, то элек­тро­ны в ней сме­ще­ны к более элек­тро­от­ри­ца­тель­но­му атому. На­при­мер, в мо­ле­ку­ле хло­ро­во­до­ро­да элек­тро­ны сме­ще­ны к атому хлора. На ато­мах воз­ни­ка­ют неболь­шие ча­стич­ные за­ря­ды, ко­то­рые обо­зна­ча­ют d+ и d-. Рис. 4.

Чем боль­ше раз­ни­ца между элек­тро­от­ри­ца­тель­но­сти ато­мов, тем более по­ляр­ная связь.

3. Взаимное влияние атомов в молекуле

Вза­им­ное вли­я­ние ато­мов в мо­ле­ку­ле при­во­дит к тому, что может про­ис­хо­дить сме­ще­ние элек­тро­нов связи, даже если они на­хо­дят­ся между оди­на­ко­вы­ми ато­ма­ми.

 На­при­мер, в 1,1,1-три­фтор­этане CH3CF3 элек­тро­от­ри­ца­тель­ные атомы фтора «стя­ги­ва­ют» на себя элек­трон­ную плот­ность с атома уг­ле­ро­да. Часто это обо­зна­ча­ют стре­лоч­кой вме­сто ва­лент­ной чер­точ­ки.

В ре­зуль­та­те у атома уг­ле­ро­да, свя­зан­но­го с ато­ма­ми фтора, воз­ни­ка­ет недо­ста­ток элек­трон­ной плот­но­сти, и он пе­ре­тя­ги­ва­ет ва­лент­ные элек­тро­ны к себе. Такое сме­ще­ние элек­трон­ной плот­но­сти по цепи свя­зей на­зы­ва­ет­сяин­дук­тив­ным эф­фек­том за­ме­сти­те­лей. Рис. 5.

Сме­ще­ние элек­трон­ной плот­но­сти в 1,1,1-три­фтор­этане

Рис. 5. Сме­ще­ние элек­трон­ной плот­но­сти в 1,1,1-три­фтор­этане

Длина и проч­ность связи

Важ­ны­ми ха­рак­те­ри­сти­ка­ми ко­ва­лент­ной связи яв­ля­ют­ся ее длина и проч­ность. Длина боль­шин­ства ко­ва­лент­ных свя­зей со­став­ля­ет от 1*10-10 м до 2*10-10м или от 1 до 2 в анг­стре­мах (1 А = 1*10-10 м).

Проч­ность связи – это энер­гия, ко­то­рую нужно за­тра­тить, чтобы разо­рвать эту связь. Обыч­но при­во­дят ве­ли­чи­ны раз­ры­ва 1 моль или 6,023*1023 свя­зей. См. табл. 1.

Характеристики связей

4. Взаимное расположение химических связей

Одно время счи­та­лось, что мо­ле­ку­лы можно изоб­ра­жать струк­тур­ны­ми фор­му­ла­ми, ле­жа­щи­ми в плос­ко­сти бу­ма­ги, и эти фор­му­лы от­ра­жа­ют, почти от­ра­жа­ют, ис­тин­ное стро­е­ние мо­ле­ку­лы. Но при­мер­но в се­ре­дине 19 века вы­яс­ни­лось, что это не так. Впер­вые к та­ко­му вы­во­ду при­шел, как я уже го­во­рил на преды­ду­щих уро­ках, тогда еще сту­дент Вант-Гофф. А сде­лал он это на ос­но­ва­нии экс­пе­ри­мен­тов вы­да­ю­ще­го­ся фран­цуз­ско­го био­ло­га и хи­ми­ка Па­сте­ра.

Дело в том, что Па­стер за­ни­мал­ся изу­че­ни­ем солей вин­ной кис­ло­ты. И ему, можно ска­зать, по­вез­ло. Кри­стал­ли­зуя сме­шан­ную соль вин­ной кис­ло­ты, он под мик­ро­ско­пом об­на­ру­жил, что у него по­лу­ча­ет­ся, в об­щем-то, набор со­вер­шен­но оди­на­ко­вых, весь­ма сим­па­тич­ных кри­стал­лов. Но эти кри­стал­лы легко раз­де­лить на две груп­пы, ко­то­рые никак не сов­ме­сти­мы друг с дру­гом, а имен­но: все кри­стал­лы де­лят­ся на две части, одна из ко­то­рых яв­ля­ет­ся зер­каль­ным от­ра­же­ни­ем дру­гой.

Так была впер­вые от­кры­та оп­ти­че­ская, или зер­каль­ная, изо­ме­рия. Па­стер смог вруч­ную пин­це­том под мик­ро­ско­пом раз­де­лить эти кри­стал­лы и об­на­ру­жил, что все хи­ми­че­ские свой­ства прак­ти­че­ски сов­па­да­ют. Не сов­па­да­ет толь­ко одно, ско­рее, фи­зи­че­ское свой­ство, а имен­но: рас­тво­ры од­но­го типа кри­стал­лов и ему зер­каль­но­го дру­го­го типа кри­стал­лов по-раз­но­му вра­ща­ли плос­кость по­ля­ри­за­ции света, про­хо­дя­ще­го через них.

Мо­де­ли мо­ле­ку­лы ме­та­на

Рис. 6. Мо­де­ли мо­ле­ку­лы ме­та­на

Для того чтобы объ­яс­нить ре­зуль­та­ты экс­пе­ри­мен­тов Па­сте­ра, Вант-Гофф пред­по­ло­жил, что атом уг­ле­ро­да на­хо­дит­ся все­гда в неплос­ком окру­же­нии, при­чем это не плос­кое окру­же­ние не имеет ни цен­тра, ни плос­ко­сти сим­мет­рии. Тогда атом уг­ле­ро­да, со­еди­нен­ный с 4 дру­ги­ми раз­лич­ны­ми фраг­мен­та­ми мо­ле­ку­лы, не оди­на­ко­вы­ми между собой, дол­жен об­ла­дать зер­каль­ной сим­мет­ри­ей. Имен­но тогда Вант-Гофф пред­по­ло­жил тет­ра­эд­ри­че­ское стро­е­ние атома уг­ле­ро­да. Оп­ти­че­ская изо­ме­рия сле­до­ва­ла из этого пред­по­ло­же­ния. В ре­зуль­та­те уда­лось объ­яс­нить про­стран­ствен­ное стро­е­ние ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний. Рис. 6.

Но уче­ные столк­ну­лись с еще одной за­гад­кой, ко­то­рую не уда­лось раз­ре­шить до сих пор. Дело в том, что в при­ро­де ор­га­ни­че­ские со­еди­не­ния, ко­то­рые об­ра­зу­ют­ся дей­стви­тель­но в ор­га­ни­че­ской живой ма­те­рии, как пра­ви­ло, со­дер­жат ле­во­вра­ща­ю­щие, име­ет­ся в виду плос­кость по­ля­ри­за­ции про­хо­дя­ще­го света, ами­но­кис­ло­ты и пра­во­вра­ща­ю­щие са­ха­ра. В то время как при любом ор­га­ни­че­ском син­те­зе обя­за­тель­но по­лу­ча­ет­ся смесь таких изо­ме­ров.

При­чи­на такой из­би­ра­тель­но­сти живой при­ро­ды не ясна до сих пор. Но это не ме­ша­ет уче­ным про­дол­жать син­те­зи­ро­вать все новые ор­га­ни­че­ские со­еди­не­ния и изу­чать их свой­ства.

В на­ри­со­ван­ных на плос­ко­сти фор­му­лах не от­ра­жа­ет­ся про­стран­ствен­ное рас­по­ло­же­ние ато­мов от­но­си­тель­но друг друга. Од­на­ко тет­ра­эд­ри­че­ское стро­е­ние атома уг­ле­ро­да в мо­ле­ку­лах с оди­нар­ны­ми свя­зя­ми при­во­дит к су­ще­ство­ва­нию оп­ти­че­ской изо­ме­рии

Под­ве­де­ние итога

Вы по­лу­чи­ли пред­став­ле­ние о теме «Ко­ва­лент­ная связь в ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ни­ях». Вы вспом­ни­ли при­ро­ду хи­ми­че­ских свя­зей. Узна­ли о том, за счет чего об­ра­зу­ет­ся ко­ва­лент­ная связь, что яв­ля­ет­ся ос­но­вой этой связи. Рас­смот­ре­ли прин­цип по­стро­е­ния фор­мул Лью­и­са. Узна­ли о ха­рак­те­ри­сти­ках ко­ва­лент­ной связи (по­ляр­но­сти, длине и проч­но­сти), что такое ин­дук­тив­ный эф­фект.

Последнее изменение: Воскресенье, 22 Октябрь 2017, 04:18