Химиялық байланыс (ковалентті, ионды)


Химияның негізгі мәселерінің бірі – химиялық байланыстың табиғаты жөніндегі мәселе. Химиялық қосылыстардың көптүрлілігін, түзілу мәнісін, құрамы мен құрылысын және қасиеттерін білу үшін түрлі элементтердің атомдарының бір-бірімен қосылып, молекула түзілуінің, молекула мен молекуланың қосылуының себебін, яғни химиялық байланыстың табиғатын білу қажет. Химиялық байланыс түзуге валенттілік электрондар қатысады:

s-, p- элементтерінде сыртқы, d- элементтерде сыртқы s- пен қоса ішкі d- қабатшасындағы электрондар.

Химиялық қосылыстарда валенттілік электрондардың орналасу тәртібіне байланысты ковалентті, ионды, металдық байланыстар болады.

Коваленттік байланыс. Молекулалардың атомдардан электрондар жұбы арқылы (бір, екі, үш) түзілуін ковалентті байланыс деп атайды. Бұл байланыс екі түрлі механизм бойынша түзіледі: алмасу механизмі – әр элемент байланысқа өзінің электронын береді, мысалы, сутегі молекуласы түзілуі

Н× + ×Н Н : Н;

Донорлы-акцепторлық механизм – бір атомның электрон жұбы (донор) ортақ болады, ал екінші атомнан бос (□) орбитал (акцептор) болады:

Н+ + :NH3 NH+4

Кез келген химиялық байланыс түзілгенде жүйенің энергиясы төмендейді. Химиялық байланыс түзілгенде атомдардың алғашқы және соңғы күйлерінің энергияларының айырымы байланыс энергиясы деп аталады, оның мәні 125-1050кДж/моль арасында болады. Екі атом ядроларының арасы байланыс ұзындығы деп аталады және d деп белгіленеді. Ортақ электрондар жұбын сызықпен де белгілейді. Байланыстың еселігі артқан сайын байланыс ұзындығы азайып, байланыс энергиясы артады: С–С, С=С, СºС сәйкесінше (нм және кДж) 0,154 және 348; 0,135 және 598; 0,120 және 838. Ковалентті байланыстың қасиеттері: қанығу, бағытталу және поляризациялану. Ковалентті байланыстың қанығуын элемент атомындағы жұптаспаған электрондардың болуымен түсіндіреді. Атомдағы жұптаспаған электрондар санымен не қозған кезде пайда болған жұптаспаған электрондар санымен анықталған валенттілікті спинваленттілік деп атайды. Сонымен, валенттілік – элементтің химиялық байланыс түзе алу қабілеті. Паули принципі бойынша АО-да тек екі электрон ғана бола алады, ал химиялық байланыс түзілгенде электрондар жұптасады, яғни бір ұяшықта тек 2 электрон болады (қанығады).

Молекула ішіндегі атомдардың химиялық байланыстарының бағытталуы – қосылушы атомдардың валенттілік электрондар бұлттарының (орбитальдары) тұйықтасып бірін-бірі қаптау бағыттары. Электрон бұлттарының пішіні әр түрлі болатындықтан, олардың өзара қауышуы әр түрлі әдістермен іске асады. Қауышу әдістеріне байланысты s-, p-, d- байланыстар болады.

Сигма байланыста (σ-) атомдар қосылатын сызық бойымен электрон бұлттары қауышады. Пи байланыс (π-) атомдар қосылатын сызықтың екі жағынан электрон бұлттары қауышса, түзіледі. Дельта байланыс (δ-) параллель жазықтықта орналасқан d- электрон бұлттарының барлық төрт қалқаншаларының қауышуымен түзіледі. Сонымен, s- орбитальдар тек σ- байланыс, р- электрондар σ- және π- байланыстар, ал d- орбитальдар σ-, π-, δ - байланыстар түзеді.

Гибридті байланыстар. Элементтердің көпшілігі химиялық байланыс түзу үшін, энергетикалық күйі әр түрлі электрондарды пайдаланады. Мысалы, Ве, В, С атомдарының негізгі күйі мен қозған күйге көшкендегі сыртқы электрондық қабатының формулалары: Ве ... 2s22p Ве* ... 2s12p1 ; В ... 2s22p1 В* ...2s12p2; С... 2s22p2 С* …2s12p3. Бұл электрондар әр күйде болғандықтан, олардың электрон бұлттары (орбитальдары) да әр түрлі, бірақ бұл жалқы электрондар басқа реакцияласатын атомдардың электрондарымен қосақтасып жаңа орбиталь түзгенде бір-біріне әсерінен алғашқы орбитальдардың пішіні өзгеріп, жаңа, бірақ барлығы бір түрлі орбитальдар түзеді. Осы өзгерісті гибридтелу деп атайды. Гибридтелу нәтижесінде түзілген химиялық байланыс берігірек болады, әр молекуладағы электрон тығыздығы симметриялы орналасқандықтан жалпы энергия ұтымы болады, сондықтан энергетикалық жағынан тиімді. sp- гибридтелу бериллий, мырыш, кадмий, сынап сияқты элементтер галогенидтер түзгенде байқалады, арасындағы бұрыш 180° болады. sp2- гибридтелу бор қосылыстарында болады, байланыстар бір жазықтың бетінде үш жаққа бағытталған, арасындағы бұрышы 120° болады, ал sp3- гибридтелуді СН4 молекуласында, түзілетін төрт гибридті бұлт кеңістікте симметриялы түрде орналасып, тетраэдрдың төрт ұшына қарай бағытталады, арасындағы бұрыш 109°-қа тең.

Түзілген молекуланың ішінде ортақ электрон жұбының орналасу симметриясына байланысты ковалентті байланыстың екі түрі: полярлы (полюсті) және полярсыз (полюссіз), яғни таза ковалентті байланыс болады. Полярсыз молекулаларда электрон жұптары ядролар арасында симметриялы орналасады: Н:Н, СІ:СІ, ал полярлы молекулаларда ядроаралық электрондық тығыздық электртерістігі жоғарырақ атомға қарай ығысады: Н :СІ, Н :О: Н. Зарядтардың ауырлық орталығы (+) және (-) сәйкес келмейді, екі мәндері бірдей, бірақ зарядтар белгісі қарама-қарсы жүйе (электр диполі) пайда болады: δ + және δ -, бұл зарядтардың ара қатынасы диполь ұзындығы l деп аталады. Байланыстың полярлылығының дәрежесін дипольдың электр моментінің мәнімен анықтайды (μ) : μ = q ×I.

q – электрон заряды, мәні 1,60×10-19 Кл.

Тәжірибе арқылы дипольдың электр моментін анықтап, сол мән бойынша диполь ұзындығын табады: l = μ/q.

Диполь моменті – векторлық шама, яғни бағыттылығымен сипатталады (шартты түрде оң зарядтан теріс зарядқа қарай).

Ковалентті байланыстың поляризациялануы – сыртқы электр өрісі әсерінен полярлы болу қабілеттілігі.

Ионды байланыс. Ядроаралық электрон тығыздығы электртерістігі жоғары атомға қарай толық ығызса, диполь ұзындығы байланыс ұзындығына тең болады: l = d, сонда атомдар оң және теріс зарядты иондарға айналады, олардың араларында электростатикалық тартылу күші пайда болады. Осындай байланысты ионды деп атайды. Полярлылық дәрежесі не байланыс иондылығы (і) мына қатынаспен l/d анықталады: шеткі мәндері 0 мен 1 арасында, яғни таза ковалентті және таза ионды. Көп жағдайда ортадағы мәнде болады, мысалы, НСІ үшін d = 0,128нм және l = 0,0225нм, сонда і = l/d = 0,0225/0,1280 = 0,18(0,2). Сонымен, Н − СІ байланыс иондығы 20% (18%), атомдардың эффективті заряды d: +0,2 және -0,2.

Атомдар жұбы үшін электртерістік (ЭТ) мәндерінің айырымы, диполь ұзындығы және эффективті зарядтар мәні көп болған сайын, байланыс иондығы да көп болады. Толық, яғни 100% электрондық тығыздықтың ығысуы болмайды, себебі иондардың өзара поляризациясы әсер етеді, ең көп иондылық сілтілік металдардың галогендермен қосылыстарында.

Ионды байланыстың ковалентті байланыстан айырмашылығы:

1) кесімді бағыты жоқ, ионды қосылыстарда иондарды шар тәрізді деп, олардың күш өрісі кеңістікте барлық жаққа біркелкі тараған деп, әрбір ион қарсы мәнді ионды қай жағынан келсе де өзіне тартып ала береді деп қарауға болады;

2) қанықпаған, қарсы мәнді екі ион кездескенде олардың күш өрістері бірін-бірі толығымен қанықтырмайды, сондықтан ол иондардың бос бағыттарының, қарсы мәнді басқа иондарды өзіне тарту қабілеті болады.

Өзін-өзі тексеруге арналған сұрақтар

1. Коваленттік байланыстың табиғатын түсіндіретін валенттілік байланыс теориясының (ВБТ) және молекулярлық орбитальдар теориясының (МОТ) ерекшелігі мен айырмашылығын мысалдар арқылы көрсету керек.

2. Химиялық байланыстың сандық сипаттамаларын – байланыс энергиясы, байланыс ұзындығы, валенттілік бұрышы, байланыс реті мысалдармен түсіндіру керек.

3. Химиялық байланыстың негізгі типтерін көрсетіп, s-, p- байланыстарды мысалдар арқылы түсіндіру керек.

4. Ковалентті байланыстың қанығуы, бағытталуы, полюстілігі.

5. Иондық байланыстың қасиеттері.

Практикалық сабақта және білім алушының оқытушы басшылығымен орындайтын (БОӨЖ) есептер мен жаттығулар

1. Ковалентті және ионды байланыстарға анықтама беріп, олардың қасиеттерін сипаттау керек. Валенттілік байланыс (ВБ) әдісі оларды қалай түсіндіреді? Мына молекулалар үшін электронды нүктелік формулаларының кестесін көрсетіңдер: СО2, РН3, НОСІ, Н2SO4 .

2. Қандай атомдар мен иондар электрондар жұбының доноры, акцепторы болады: BF4 -, NH4+, Н3О+ ?

3. ЭТ мәндері бойынша К − СІ, Са – СІ, Ғе – СІ қай байланыстың иондылығы жоғары екенін анықтау қажет.

4. Мына қатарда НҒ – НСІ – НВr – HI байланыс беріктігі қалай өзгереді, неге?

5. Валенттілік байланыс (ВБ) және молекулалық орбитальдар (МО) әдістері бойынша молекулалардың Ғ2 – О2 – N2 диссоциация энергиясының (кДж/моль) сәйкесінше 155 – 493 – 945 өзгеретінін және N2 мен СО молекулаларының диссоциация энергияларының (945 және 1071кДж/моль) жақындығын түсіндіру керек. МО әдісі бойынша молекулалар В2, Ғ2, ВҒ түзілу мүмкіндігін және қай молекула берік екендігін көрсету керек.

6. Мына молекулалардың N2, O2, NO, CO, CN қайсысы парамагнитті?

7. HCN молекуласының диполь моменті 2,9D. Диполь ұзындығы қанша?

Жауабы: 6,03×10- 11м.

8. Фторсутек молекуласының диполь ұзындығы 4×10-11м болса, оның диполь моментін дебаймен, кулон-метрмен есептеу керек.

Жауабы: 6,41×10-30 Кл×м = 1,92D.

9. Полярсыз ВеСІ2 молекуласының кеңістіктік құрылысын көрсетіп Ве – СІ байланысы түзілуіне бериллийдің қандай АО-сы қатысады ?

10. Мына молекулалар СН4, СО2, SiF4, SO2, H2SiF6 түзілгенде көміртегінің, кремнийдің, күкірттің АО-ларының гибридтелу типін көрсету керек.

11. Байланыстың ұзындығы, энергиясы және беріктігі арасында қандай байланыс бар, мысал келтіру керек.

12. Байланыс еселігі деген не және екі өзара байланысатын атомдардан 2е, 4е-, 6е- қатысатын болса, байланыс саны қанша болады, мысал келтіру керек.

13. Мына молекулалар РСІ3, РСІ5, H2S, SO3, AsH3, H3AsO4 түзілгенде фосфор, күкірт, мышьяк атомдары қай күйде (қалыпты, қозған) болады?

14. Электрондардың, атомдық орбитальдардың не атомдардың қандай күйі валентті күйі болады? Оттегі және күкірттің, фтор және хлордың атомдарының неше валенттік күйлері болады?

15. а) атомның эффективті заряды; б) электр диполі және диполь ұзындығы; в) дипольдің электр моменті деген не және олардың өлшем бірліктері қандай?

16. Мына иондардың Ғ- не Br-, S2- не Те2-, СІ- не І- қайсысының поляризациялануы жоғары, неге?

17. Неге су мен фторсутек қышқылының балқу және қайнау температуралары жоғары?

18. Байланыс энергиялары Н – Н, Ғ – Ғ, Н – Ғ сәйкесінше 436, 153, 563кДж/моль болса, сутегі мен фтор әрекеттескенде қанша жылу бөлінеді, егер олар 1 моль мөлшерінде алынған болса? Жауабы: 537кДж/моль.

19. Егер Едис. (НІ) = 298,4кДж/моль болса, 0,64г НІ айрылуы үшін қанша энергия жұмсалуы керек? УК – сәуле (l = 2×10-7м) әсерінен НІ айрыла ма? Жауабы: 1,492кДж, иә.

20. Газ фазасындағы LiF молекуласында ядроаралық ұзындық 0,156нм, ал дипольдің электр моменті 2,2×10-29 Кл×м болса, Li – F байланысының иондығы қанша? Жауабы: 85,62%.

21. Байланыс ұзындығы Н – Ғ 0,092нм, полярлылық 45% болса, m (Н – Ғ) есептеу керек. Жауабы: 6,62×10-30 Кл×м.

22. Қандай үш түрлі молекула аралық әрекеттесуді Ван-дер-Ваальс күші деп атайды? Әр қайсысы немен анықталады? Қай әрекеттесу әлсізірек?

23. Ориентациялық әрекеттесуге молекулалардың полярлылығы және температура қалай әсер етеді? Полярлы молекулалардың полярсыз молекулалармен индукционды әсерлесуі немен көрсетіледі?

24. Ориентациалық және индукциондық әсерлесуге қабілетсіз атомдар мен молекулаларға мысал келтіріңдер. Қай молекулааралық әсерлесу универсал болып табылады және ол кез келген бөлшектер арасында әсер етеді ме?

25. Молекулааралық әсерлесу энергиясының мәні қандай шамада?

26. Қандай коваленттік байланыстар σ-, π-, δ- байланыстар деп аталады? Азот молекуласы құрылысын валенттілік байланыс (ВБ) теориясы қалай түсіндіреді?

27. BF3 және СН4 молекулалар құрылысын ВБ теориясы қалай түсіндіреді?

28. Молекулалық орбитальдар (МО) теориясы F2 молекуласының байланыс энергиясы (159кДж/моль) молекулалық ион F2+ -ның байланыс энергиясынан (318кДж/моль) аздығын қалай түсіндіреді?

29. Молекулалық орбитальдар (МО) теориясы О2 молекуласының байланыс энергиясы (497,9кДж/моль) молекулалық ион О2+ -ның байланыс энергиясынан (644,3кДж/моль) аздығын қалай түсіндіреді?

30. Екі атомды молекулалық иондарда О2+ және О2 байланыс еселігі нешеге тең?