Номер 5, страница 14 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

5. Чем отличаются $\sigma$- и $\pi$-связи? Что общего между ними? За счет перекрывания каких орбиталей они образуются?

Чем отличаются $\sigma$- и $\pi$-связи?

$\sigma$-связи (сигма-связи) и $\pi$-связи (пи-связи) являются двумя основными типами ковалентных связей, но они имеют существенные различия в способе образования, геометрии и свойствах.

Основные отличия:

• Способ перекрывания орбиталей: $\sigma$-связь образуется при "осевом" или "лобовом" перекрывании атомных орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра атомов. $\pi$-связь образуется при "боковом" перекрывании $\text{p}$- или $\text{d}$-орбиталей, оси которых параллельны друг другу.
• Расположение электронной плотности: В $\sigma$-связи максимальная электронная плотность сконцентрирована на межъядерной оси. В $\pi$-связи области максимальной электронной плотности находятся над и под плоскостью, в которой лежит межъядерная ось (существует узловая плоскость, проходящая через ядра).
• Прочность связи: $\sigma$-связь прочнее, чем $\pi$-связь. Это связано с тем, что степень перекрывания орбиталей при осевом взаимодействии больше, чем при боковом.
• Порядок образования: Одинарная связь между двумя атомами всегда является $\sigma$-связью. Двойная связь состоит из одной $\sigma$- и одной $\pi$-связи. Тройная связь состоит из одной $\sigma$- и двух $\pi$-связей. Таким образом, $\pi$-связь не может существовать без $\sigma$-связи между теми же атомами.
• Вращение вокруг связи: Вокруг одинарной $\sigma$-связи возможно свободное вращение атомов, так как это не нарушает перекрывания орбиталей. $\pi$-связь жестко фиксирует положение атомов, делая свободное вращение невозможным, что приводит к явлению цис-транс-изомерии.

Ответ: $\sigma$- и $\pi$-связи отличаются способом перекрывания орбиталей (осевое у $\sigma$, боковое у $\pi$), расположением электронной плотности (на оси у $\sigma$, над и под осью у $\pi$), прочностью ($\sigma$ > $\pi$), порядком образования (сначала $\sigma$, потом $\pi$) и возможностью вращения (свободное у $\sigma$, затрудненное у $\pi$).

Что общего между ними?

Несмотря на различия, $\sigma$- и $\pi$-связи имеют ряд общих фундаментальных характеристик:

• Обе являются ковалентными связями, то есть образуются за счет обобществления электронной пары между двумя атомами.
• Механизм образования обеих связей — это перекрывание атомных или гибридных орбиталей.
• Образование как $\sigma$-, так и $\pi$-связи приводит к понижению общей энергии системы, делая молекулу более стабильной по сравнению с отдельными атомами.
• В обоих случаях между ядрами атомов возникает область повышенной электронной плотности, которая и удерживает атомы вместе.

Ответ: Общим для $\sigma$- и $\pi$-связей является то, что обе они — ковалентные связи, образующиеся путем перекрывания атомных орбиталей и обобществления пары электронов, что приводит к стабилизации системы.

За счет перекрывания каких орбиталей они образуются?

Типы перекрывания орбиталей, приводящие к образованию $\sigma$- и $\pi$-связей, различны.

$\sigma$-связь может образоваться в результате перекрывания:

• Двух $\text{s}$-орбиталей ($s-s$ перекрывание), как в молекуле $H_2$.
• $\text{s}$-орбитали одного атома и $\text{p}$-орбитали другого ($s-p$ перекрывание), как в молекуле $HCl$.
• Двух $\text{p}$-орбиталей по линии, соединяющей ядра ($p-p$ осевое перекрывание), как в молекуле $F_2$.
• Гибридной орбитали с $\text{s}$- или $\text{p}$-орбиталью, а также двух гибридных орбиталей (например, $sp^3-sp^3$ в этане $C_2H_6$).

$\pi$-связь образуется в результате бокового перекрывания:

• Двух параллельных $\text{p}$-орбиталей ($p-p$ боковое перекрывание), как в молекулах этилена $C_2H_4$ и ацетилена $C_2H_2$.
• $\text{p}$- и $\text{d}$-орбиталей или двух $\text{d}$-орбиталей (встречается в соединениях элементов 3-го и последующих периодов).

Ответ: $\sigma$-связи образуются при осевом перекрывании $s-s$, $s-p$, $p-p$ и гибридных орбиталей. $\pi$-связи образуются при боковом перекрывании негибридных $\text{p}$-орбиталей (реже $\text{d}$-орбиталей), оси которых параллельны друг другу.