Вопрос 9. Метод валентных связей. Сигма- и Пи-связи. Гибридизация атомных орбиталей и геометрия молекул. Неподеленные электронные пары гибридных орбиталей (на примере nh3 и н2о).

1. Основные положения метода валентных связей:

• химическая связь между двумя атомами возникает в результате перекрывания атомных орбиталей (АО) с образованием электронных пар (обобществления двух электронов);

• энергия обмена электронами между атомами (в результате перекрывания орбиталей) вносит основной вклад в энергию химической связи;

• в соответствии с принципом Паули химическая связь образуется лишь при взаимодействии электронов с антипараллельными спинами;

• характеристики химической связи (энергия, длина, полярность и др.) определяются типом перекрывания АО.

Условием образования химической связи является уменьшение потенциальной энергии системы взаимодействующих атомов.

Ковалентная связь может быть образована атомами одного и того же элемента и тогда она неполярная; например, такая ковалентная связь существует в молекулах одноэлементных газов H2, O2, N2, Cl2 и др.

Ковалентная связь может быть образована атомами разных элементов, сходных по химическому характеру, и тогда она полярная, например, Н2О, NF3 и др.

2. Направленность ковалентной связи.

Перекрывание электронных облаков происходит по определенным направлениям, так как атомные орбитали пространственно ориентированы, что и обуславливает направленность ковалентной связи.

В зависимости от способа перекрывания и симметрии образующегося облака различают- (сигма) и - (пи) связи.

Связь, образованная перекрыванием АО по линии, соединяющей ядра взаимодействующих атомов, называется σ – связью. Сигма-связь может возникать при перекрывании s –

орбиталей, s –, p – орбиталей, р – орбиталей, d – орбиталей, а также d – и s – орбиталей, и f –

орбиталей с друг другом и другими орбиталями. Сигма – связь обычно охватывает два атома и не простирается за их пределы, поэтому является локализованной двухцентровой связью.

Связь, образованная перекрыванием АО по обе стороны линии, соединяющей ядра атомов (боковые перекрывания), называется π-связью. Пи-связь может образовываться при перекрывании р – р-орбиталей, p – d-орбиталей, d – d-орбиталей , а также f – p-, f – d- и f – f- орбиталей.

3. Геометрия молекулы формируется за счет фиксированного взаимного расположения атомов и значений валентных углов.

Валентный угол — это угол между воображаемыми прямыми, проходящими через ядра химически связанных атомов. Можно также сказать, что это угол между двумя линиями- связями, имеющими общий атом.

Линия связи — это линия, соединяющая ядра двух химически связанных атомов.

4. В молекуле аммиака NH3 три связи N–H образованы «чистыми» (т.е. негибридизованными) 2р-орбиталями азота. Молекула должна иметь пирамидальную форму: в вершине пирамиды – атом азота, угол между связями – 90°. Однако экспериментально измеренный угол составляет ~107,8°, что значительно лучше согласуется с тетраэдрической конфигурацией, характерной для sp3 гибридизации. Это можно объяснить, если предположить, что в гибридизации принимает участие орбиталь неподеленной

(несвязывающей) пары электронов:

Перекрывание орбиталей в молекуле NH₃

Перекрывание орбиталей в молекуле NH3

С этих же позиций участием орбиталей двух неподеленных пар электронов в sp3 гибридизации можно объяснить строение молекулы воды, в которой угол между связями О–Н равен~104,5°:

Вследствие более сильного отталкивающего действия неподеленных (несвязывающих) электронных пар валентные углы в молекулах NН3 и Н2О оказываются несколько меньше тетраэдрического.

Вопрос 10. Скорость химической реакции. Средняя и мгновенная скорость. Факторы, влияющие на скорость химической реакции. Закон действующих масс. Константа скорости реакции. Зависимость скорости от температуры. Правило Вант-

Гоффа. Энергия активации, энергетический барьер, природа активированных комплексов. Катализ и ферменты.

1. Скорость химической реакции - основное понятие химической кинетики, выражающее отношения количества прореагировавшего вещества (в молях) к отрезку времени, за которое произошло взаимодействие.

Скорость реакции отражает изменение концентраций реагирующих веществ за единицу времени. Единицы измерения для гомогенной реакции: моль/л * сек. Физический смысл в том, что каждую секунду какое-то количество одного вещества превращается в другое в единице объема.

2.

3. Факторы, способные влиять на скорость химической реакции.

На то, насколько быстро будет происходить химическое взаимодействие, могут повлиять следующие факторы:

концентрация веществ; природа реагентов;

температура;

присутствие катализатора;

давление (для реакций в газовой среде).

4.

5.

6.

7. Не каждое столкновение молекул заканчивается образованием продуктов реакции. Для того, чтобы ослабить старые химические связи до такого состояния, чтобы энергия, выделяемая при образовании новых связей, могла компенсировать затраты на разрыв старых связей, необходима избыточная

энергия, её называют энергий активации. Только при столкновении молекул, имеющих запас этой избыточной по сравнению с остальными молекулами, энергии могут образоваться новые соединения. Энергию активации еще называют энергетическим (потенциальным) барьером, что хорошо иллюстрирует энергетическая диаграммы хода химической реакции:

8.

Ферменты (энзимы) — специфические белки, играющие роль катализаторов, то есть веществ, изменяющих скорость химических процессов, протекающих в организмах. Фермент

необычайно резко изменяет (обычно в сторону увеличения) скорость химических

превращений в процессе обмена веществ, способствуя не только расщеплению, распаду, но и воссозданию, синтезу более сложных веществ в организме из продуктов распада, причем один и тот же фермент может осуществлять и распад, и синтез одних и тех же веществ (обратимость химических превращений).