Е.А.Менделеева. Введение в органическую химию.

Урок 5. Виды химической связи.
Ковалентная связь (3-4 часа)

О химической связи довольно много говорится в курсе 8-9 класса, поэтому можно (и даже нужно), чтобы учащиеся совместными усилиями суммировали свои знания о химической связи, отвечая на вопросы:
Какие виды связи вы знаете?
За счет чего образуется тот или иной вид связи?
Какие свойства характерны для веществ с данным типом связывания?
Про виды связей см., например,

Школьники обычно вспоминают ионную, ковалентную, металлическую, водородную связи. Часто упоминают донорно-акцепторную связь, необходимо их поправить. Нет донорно-акцепторной связи, существует донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи. Хорошо, если преподаватель демонстрирует модели кристаллических решеток веществ с различным типом связи (хлорида натрия, иода, воды, алмаза, графита железа и т.п.). У учащихся иногда вызывает затруднение вопрос, к какому типу (ионному, молекулярному, атомному) относится кристалл того или иного вещества. Они должны четко представлять, что из молекул состоят только вещества с ковалентной связью (и то далеко не все).

Обычно школьники сами вспоминают про правило электронного октета. Полезно упомянуть, что оно "работает" не всегда, но, т.к. в данном случае нас интересуют, в основном, элементы второго периода, то можно им достаточно успешно пользоваться. Можно потренироваться в написании точечных формул для некоторых атомов, ионов и простых неорганических и органических молекул.

Органические вещества – это, в основном, соединения с ковалентной связью. Поэтому на характеристиках связи неметаллов в молекулярных соединениях мы остановимся более подробно.

Следует упомянуть, что в молекуле все электроны находятся в поле всех ядер, и привычное описание связи, образованной между двумя атомами с помощью двух электронов (двухцентровая двухэлектронная связь) – это приближенное описание, причем одно из нескольких возможных. Однако в большинстве случаев оно достаточно хорошо описывает молекулу. Примеры, для которых данное приближение не "работает" см .

Характеристики ковалентной связи:

Полярность . Часто школьники определяют неполярную связь, как связь образованную между одинаковыми атомами, а ковалентную полярную - между атомами двух разных элементов, как в молекуле хлороводорода Н :С l. Следует обратить внимание, что электроны связи смещены к более электроотрицательному атому (в данном случае - атому хлора), но величины этих зарядов меньше, чем заряд электрона, поэтому эти заряды обозначают, используя маленькую греческую букву "дельта":

H^d+- Cl^d-

Необходимо показать, что электроны могут быть распределены неравномерно даже в случае связи между одинаковыми атомами, и связь, в таком случае также будет полярной. Например, полярна связь между атомами углерода в молекуле CF₃ - CH₃ .

C ильно электроотрицательные атомы фтора притягивают к себе общую электронную пару связи C - F .. Следовательно, у атома углерода, связанного с тремя атомами фтора, возникает недостаток (дефицит) электронной плотности, который он восполняет за счет соседнего атома углерода. В результате, пара электронов, связывающая два атома углерода, смещается к тому атому С , который связан с атомами фтора, и связь становится полярной.

И наоборот, хотя у метана связи образованы между атомами разных элементов - углерода и водорода, их электроотрицательности очень близки (2,5 у С и 2,1 у Н), и эти связи почти неполярны.

Полярность молекулы характеризует экспериментально измеряемый дипольный момент .

От электронного строения молекул зависят их химические свойства, поэтому анализ распределения зарядов в молекуле и того, как на эти заряды влияют соседние атомы, очень важен для объяснения химической активности.

Важные характеристики ковалентной связи - ее длина и энергия . Длина связи - это расстояние между центрами ядер связанных атомов. Длина большинства ковалентных связей составляет от 1^.10 ^-10 до 3^.10^-10м (от 0,1 до 0,3 нм). Чем больше необходимо затратить энергии, чтобы разорвать связь, тем эта связь прочнее. Обычно прочность связи характеризуют энергией, которую необходимо затратить, чтобы разорвать 6,02^.10²³ связей, т.е. на 1 моль вещества. Энергия связи С-С составляет 347 кДж/моль, а связи С = С - 618 кДж/моль, т.е. двойная связь значительно прочнее простой.

О поляризуемости ковалентной связи – способности к перемещению электронов связи под действием внешнего электрического поля - можно на данном этапе дать только самое общее представление на примере молекул брома или иода.
Направленность ковалентной связи. Длины связей и углы между ними определяют геометрию молекулы.

В школьном курсе геометрию молекул объясняют с помощью теории гибридизации, вопросы про гибридизацию атомов есть во всех вариантах выпускных и вступительных экзаменов, поэтому школьники должны в ней хорошо разобраться (без d -орбиталей!). В объяснении теории гибридизации очень помогают картинки и анимации, показывающие формы гибридных орбиталей, - и - перекрывание орбиталей, образование двойной и тройной связей и т .п : ,

Однако, увлекшись теорией гибридизации, преподаватели часто не обращают внимание на очень важную вещь: эта теория – только модель, позволяющая объяснить реальные экспериментальные факты относительно геометрии молекул. Существуют другие модели, например, модель Геллиспи, позволяющая ничуть не хуже и даже, на наш взгляд, более наглядно объяснить те же самые факты.

Объяснение расположения атомов в молекуле с точки зрения модели Геллиспи вполне можно сочетать с теорией гибридизации.

Попробуем представить себе, как наиболее удобно могут расположиться атомы водорода в молекуле метана. Не забудьте, что связи образованы отрицательно заряженными электронами. Одноименно заряженные электронные пары отталкиваются и располагаются как можно дальше друг от друга, чтобы их отталкивание было минимальным. Показать, что такому условию будет отвечать именно расположение по тетраэдру, можно с помощью наглядного эксперимента. Свяжем вместе четыре одинаковых круглых воздушных шарика как можно ближе друг к другу. Шарики, чтобы меньше мешать друг другу, расположатся, образуя тетраэдр. А теперь не пожалеем один шарик: проткнем его иголкой. Оставшиеся шары тут же разойдутся как можно дальше друг от друга и разместятся в одной плоскости под углом 120о Так же расположатся три атомы хлора вокруг атома бора в молекуле BCl3 : на наибольшем удалении друг от друга. Если один из этих атомов в органических соединениях связан с центральным атомом углерода двойной связью, то в этом случае форма молекулы - треугольник с атомом углерода посередине (H2С=О или H2C=CH2 ). А как расположатся, максимально не мешая друг другу, две связи около одного атома? Конечно же, по одной прямой, по разные стороны от центрального атома. Такое строение имеют, например, молекулы углекислого газа и ацетилена. Но почему же молекула воды H2 O, в которой два атома водорода связаны с атомом кислорода, нелинейна? Атомы водорода в молекуле воды расположены не по прямой, а под углом друг к другу. Нет ли здесь противоречия со сказанным выше? Нет, потому что у атома кислорода в молекуле воды есть еще две неподеленные электронные пары, которым тоже, как и электронам связей, надо разместиться в пространстве. Эти четыре электронные пары (две принадлежащие кислороду и две образующие связи с атомами водорода) будут располагаться аналогично расположению связей в метане - по направлению к вершинам тетраэдра. По той же причине молекула аммиака NH3 представляет собой выгнутый "зонтик". В вершине "зонтика" расположен атом азота, около которого, помимо трех пар электронов, образующих связи азота с атомами водорода, есть еще неподеленная пара электронов. Геометрия данных молекул объясняется с помощью модели отталкивания электронных пар. Необходимо только дополнить, что друг от друга на наибольшем расстоянии стремятся расположиться электронные пары - связей и неподеленные электронные пары .

Важно показать учащимся, что атомы в молекуле находятся в постоянном движении друг относительно друга, совершают колебательные и вращательные движения. Причем, чем больше температура окружающей среды, тем больше внутренняя энергия молекулы и тем интенсивнее эти колебания и вращения. Наглядно и очень эмоционально иллюстрировать внутримолекулярные движения позволяет трехмерная модель. .Обратите внимание школьников на то, что в данной модели отображен только один тип внутримолекулярных колебаний.

Примеры заданий к семинарскому занятию

1. В каких из перечисленных соединений выделенные связи полярны:
а ) CH₃ - CH₃  b) CH₃ - Cl   c) H - OH, d) CH₃ - CH₂OH

2.Сколько s - и p - связей содержится в молекуле состава СH₃ - CH = CH - COOH
•  Сколько существует изомеров состава С₃Н₈О? Ответ дайте в виде числа.
•  Определите гибридизацию атомов и нарисуйте пространственную структуру молекул следующих веществ:
этана ,
этилена ,
формальдегида ,
метанола .
(После того, как учащиеся выполнят задание, целесообразно сравнить их рисунки с моделями этих веществ) .

Строение молекул, химическая связь.
Практическая работа

Для соединений состава: CO₂ , C₂H₂ , CH₃NH₂
а) нарисуйте структурную формулу
б )определите число соседей и электронных пар для каждого атома
в) определите гибридизации атомов
г) нарисуйте электронную структуру молекулы (перекрывание орбиталей), обозначьте s - и p - связи.
д) пользуясь пластилином и спичками, составьте пространственную шаростержневую модель молекулы и зарисуйте ее.