Страница 56 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Какие связи называют кратными?

Какие связи называют кратными?

В химии кратными связями называют ковалентные связи между двумя атомами, которые образуются более чем одной общей электронной парой. Кратность связи определяется числом таких пар. В зависимости от этого числа различают двойные и тройные связи, в то время как связь, образованная одной парой электронов, называется одинарной или простой.

Кратная связь всегда представляет собой комбинацию одной σ-связи (сигма-связи) и одной или двух π-связей (пи-связей).
• σ-связь образуется при перекрывании электронных орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра атомов. Это наиболее прочная составляющая ковалентной связи.
• π-связь образуется при боковом перекрывании p- или d-орбиталей. Область перекрывания находится над и под плоскостью σ-связи. π-связи менее прочные, чем σ-связи.

Двойная связь
Это связь, образованная двумя электронными парами (четырьмя электронами). Она состоит из одной σ-связи и одной π-связи. Двойная связь прочнее и короче одинарной связи между теми же атомами. Примером может служить молекула этилена ($C_2H_4$), где между атомами углерода существует двойная связь ($H_2C=CH_2$), или молекула кислорода ($O_2$), где атомы связаны двойной связью ($O=O$).

Тройная связь
Это связь, образованная тремя электронными парами (шестью электронами). Она состоит из одной σ-связи и двух π-связей. Тройная связь является самой прочной и самой короткой из ковалентных связей между двумя данными атомами. Классическим примером является молекула азота ($N_2$), в которой атомы связаны очень прочной тройной связью ($N \equiv N$), и молекула ацетилена ($C_2H_2$), где между атомами углерода также тройная связь ($H-C \equiv C-H$).

Таким образом, кратные связи характеризуются повышенной энергией (прочностью), меньшей длиной и высокой электронной плотностью в межъядерном пространстве по сравнению с одинарными связями, что определяет их высокую реакционную способность в реакциях присоединения.

Ответ: Кратными называют ковалентные связи, которые осуществляются двумя (двойная связь) или тремя (тройная связь) общими электронными парами между двумя атомами.

Охарактеризуйте природу $\sigma$- и $\pi$-связей.

В основе образования ковалентных связей лежит механизм перекрывания атомных орбиталей, который описывается в методе валентных связей. В зависимости от способа перекрывания орбиталей выделяют два основных типа ковалентной связи: $\sigma$-связь и $\pi$-связь.

Природа $\sigma$-связи (сигма-связи)

$\sigma$-связь — это ковалентная связь, которая образуется в результате осевого (лобового) перекрывания атомных орбиталей. Ключевой особенностью этого типа связи является то, что максимальная электронная плотность концентрируется вдоль линии, соединяющей ядра связываемых атомов (межъядерной оси).

• Способы образования: $\sigma$-связь может формироваться при перекрывании различных типов орбиталей: двух s-орбиталей (s–s), одной s- и одной p-орбитали (s–p), или двух p-орбиталей (p–p), направленных вдоль оси связи.
• Прочность: Осевое перекрывание является наиболее эффективным, что приводит к значительному понижению энергии системы и образованию прочной связи. Поэтому $\sigma$-связь является самой прочной из ковалентных связей.
• Симметрия: Облако электронной плотности $\sigma$-связи симметрично относительно вращения вокруг межъядерной оси. Это свойство позволяет атомам или группам атомов свободно вращаться вокруг одинарной $\sigma$-связи без её разрыва.
• Распространенность: Любая одинарная связь по своей природе является $\sigma$-связью. В кратных связях (двойных и тройных) всегда присутствует одна $\sigma$-связь, которая образуется первой и формирует "скелет" молекулы.

Ответ: Природа $\sigma$-связи заключается в осевом перекрывании атомных орбиталей, при котором область повышенной электронной плотности располагается непосредственно на линии, соединяющей ядра атомов. Это прочная связь, обладающая осевой симметрией и допускающая свободное вращение.

Природа $\pi$-связи (пи-связи)

$\pi$-связь — это ковалентная связь, которая образуется в результате бокового (параллельного) перекрывания p- или d-атомных орбиталей. Этот тип связи может возникнуть только тогда, когда между атомами уже существует $\sigma$-связь.

• Способы образования: $\pi$-связь образуется при перекрывании негибридизованных p-орбиталей, оси которых параллельны друг другу и перпендикулярны линии, соединяющей ядра.
• Прочность: Боковое перекрывание менее эффективно, чем осевое, поэтому $\pi$-связь является менее прочной, чем $\sigma$-связь. Она легче разрывается при химических реакциях.
• Симметрия и расположение: Электронная плотность $\pi$-связи имеет две области — над и под плоскостью, в которой лежит $\sigma$-связь. На самой межъядерной оси электронная плотность равна нулю. Эта связь не обладает осевой симметрией, а имеет плоскость симметрии.
• Распространенность и свойства: $\pi$-связи являются составной частью кратных связей. Двойная связь состоит из одной $\sigma$- и одной $\pi$-связи, а тройная — из одной $\sigma$- и двух $\pi$-связей. Наличие $\pi$-связи делает невозможным свободное вращение атомов вокруг межъядерной оси, так как это привело бы к нарушению бокового перекрывания и разрыву связи. Это приводит к явлению цис-транс-изомерии у алкенов.

Ответ: Природа $\pi$-связи заключается в боковом перекрывании p-орбиталей, при котором области повышенной электронной плотности располагаются по обе стороны от линии $\sigma$-связи (над и под ней). Это менее прочная связь, которая образуется только в составе кратных связей и препятствует свободному вращению атомов.