Органическая химия/Связь

Ионная связь

Кристаллическая структура хлорида натрия. У каждого атома есть шесть ближайших соседей с октаэдрической геометрией. Такое расположение известно как c-плотно упакованное (ccp).Светло-голубой = Na+ Темно-зеленый = Cl-

Ионная связь — это когда положительно и отрицательно заряженные ионы образуют связь друг с другом посредством электростатической силы. Эти связи немного слабее ковалентных связей и сильнее, чем Ван-дер-Ваальсовы связи или водородные связи.

В ионных связях электроотрицательность отрицательного иона настолько сильнее электроотрицательности положительного иона, что ионы не делят электроны - вместо этого более электроотрицательный ион полностью берет на себя владение электроном(ами).

Возможно, наиболее распространенным примером ионно-связанного вещества является NaCl или поваренная соль. В этом случае атом натрия (Na) отдает электрон гораздо более электроотрицательному атому хлора (Cl), и два атома становятся ионами Na⁺ и Cl^-. Электростатическая сила связи между двумя противоположно заряженными ионами распространяется за пределы локальной области, притягивая другие ионы, образуя гигантские кристаллические структуры. По этой причине большинство ионно-связанных материалов являются твердыми при комнатной температуре.

Хлорид натрия образует кристаллы с кубической симметрией. В них более крупные ионы хлора расположены в кубической плотной упаковке, в то время как более мелкие ионы натрия заполняют октаэдрические промежутки между ними. Каждый ион окружен шестью ионами другого типа. Эта же базовая структура встречается во многих других минералах и известна как структура галита.

Ковалентная связь

Ковалентная связь - самая распространенная в органической химии. В ней, два атома делят электроны в связи. Цель каждого атома — заполнить свой октет, а также иметь формальный заряд, равный нулю. Для этого атомные ядра делят электроны в пространстве между ними. Это совместное использование также позволяет атомам достичь более низкого энергетического состояния, что стабилизирует молекулу. Большинство реакций в химии происходят из-за того, что молекулы достигают более низкого энергетического состояния. Ковалентные связи чаще всего наблюдаются между атомами с одинаковой или близкой электроотрицательностью. В молекулах, которые имеют только один тип атомов, например, H₂ или O₂, электроотрицательность атомов, по существу, одинакова, поэтому они не могут образовывать ионные связи. Они всегда образуют ковалентные связи.

Углерод особенно хорош в ковалентной связи, потому что его электроотрицательность является промежуточной по сравнению с другими атомами. Это означает, что он может как отдавать, так и принимать электроны по мере необходимости.

Соединения с ковалентной связью имеют сильные внутренние связи, но слабую силу притяжения между молекулами. Из-за этих слабых сил притяжения температуры плавления и кипения этих соединений намного ниже, чем у соединений с ионными связями. Поэтому такие соединения с гораздо большей вероятностью будут жидкостями или газами при комнатной температуре, чем соединения с ионными связями.

В молекулах, образованных из двух атомов одного и того же элемента, нет разницы в электроотрицательности связанных атомов, поэтому электроны в ковалентной связи делятся поровну, что приводит к полностью неполярной ковалентной связи. В ковалентных связях, где связанные атомы являются разными элементами, существует разница в электроотрицательности между двумя атомами. Атом, который более электроотрицателен, будет притягивать связывающие электроны больше к себе, чем менее электроотрицательный атом. Разница в заряде двух атомов из-за электронов приводит к тому, что ковалентная связь становится полярной. Большая разница в электроотрицательности приводит к более полярным связям. В зависимости от разницы в электроотрицательности полярность связи может варьироваться от неполярной ковалентной до ионной с различной степенью полярной ковалентности между ними. Общий дисбаланс заряда с одной стороны молекулы на другую сторону называется дипольным моментом. Такие молекулы называются полярными. Для полностью симметричной ковалентно связанной молекулы общий дипольный момент молекулы равен нулю. Молекулы с большими дипольными моментами более полярны. Наиболее распространенной полярной молекулой является вода.

Полярность связи и дипольный момент

Идеи полярности связи и дипольного момента играют важную роль в органической химии.

Если вы посмотрите на изображение метана справа, то самым важным аспектом с точки зрения полярности связи является то, что это симметричная молекула. У нее 4 атома водорода, все связаны под углом 109,5° друг к другу, и все с точно таким же углом связи. Каждая связь углерод-водород слегка полярна (водород имеет электроотрицательность 2,1, углерод 2,5), но из-за этой симметрии полярности компенсируют друг друга, и в целом метан является неполярной молекулой.

Различие заключается в полярности связи и молекулярной полярности. Общая полярность молекулы измеряется как дипольный момент. Фактический расчет дипольного момента на самом деле не так важен, как понимание того, что он означает. Часто приблизительная оценка дипольного момента довольно проста, как только вы поймете концепцию, и пока вы не углубитесь в более продвинутую органическую химию, точные значения не имеют большой ценности.

По сути, молекулярная полярность представляет собой сумму векторов всех полярностей связей в молекуле.

Ван-дер-Ваальсова связь

Связь Ван-дер-Ваальса — это общее название для трех типов взаимодействий:

Постоянные дипольные взаимодействия: это электростатические силы притяжения между двумя диполями, они отвечают за высокую температуру кипения фторметана (CH₃F) (около -15 °C) по сравнению с азотом (около -180 °C).
Постоянный диполь/индуцированный диполь: это взаимодействия между постоянным диполем и другой молекулой, в результате чего электронное облако последней молекулы искажается и, таким образом, имеет индуцированный диполь. Они намного слабее, чем постоянные дипольные/дипольные взаимодействия. Эти силы возникают в постоянных дипольных молекулах и в смесях постоянных диполей и свободных дипольных молекул.
Мгновенный диполь/индуцированный диполь: в любой конкретный момент электронное облако не обязательно симметрично, этот мгновенный диполь затем индуцирует диполь в другой молекуле, и они притягиваются; это самое слабое из всех молекулярных взаимодействий.

Диполь возникает из-за того, что атом или фрагмент молекулы имеет более высокую электроотрицательность (это мера его эффективного заряда ядра и, следовательно, притяжения ядра электронами), чем тот, к которому он присоединен. Это означает, что он притягивает электроны ближе к себе и имеет более высокую долю электронов в связи. Диполи могут компенсироваться симметрией, например: Углекислый газ (O=C=O) линейный, поэтому диполя нет, но распределение заряда асимметрично, вызывая квадрупольный момент (он действует аналогично диполю, но намного слабее).

Металлоорганические соединения и связи

Металлоорганическая химия объединяет аспекты неорганической и органической химии, поскольку металлоорганические соединения представляют собой химические соединения, содержащие связи между углеродом и металлом или металлоидным элементом. Металлоорганические связи отличаются от других связей тем, что они не являются ни истинно ковалентными, ни истинно ионными, но каждый тип металла имеет индивидуальный характер связи. Например, медные соединения ведут себя совершенно иначе, чем реактивы Гриньяра (магний), и поэтому начинающие органические химики должны сосредоточиться на том, как использовать самые основные соединения механистически, оставляя объяснение того, что именно происходит на молекулярном уровне, до более поздних и более глубоких исследований предмета.

Основные металлоорганические взаимодействия подробно обсуждаются в следующей главе.