В чем заключается сущность донорно акцепторного механизма образования химической связи

Химические связи

Различают несколько типов химических связей: ковалентная, ионная, металлическая, водородная.

Ковалентная связь возникает между двумя атомами по обменному механизму (обобществление пары электронов) или донорно-акцепторному механизму (электронов донора и свободной орбитали акцептора).

Ковалентной связью соединены атомы в молекулах простых веществ (Cl₂, Br₂, O₂), органических веществ (C₂H₂), а также, в общем случае, между атомами неметалла и другого неметалла (NH₃, H₂O, HBr).

Существует донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи, при котором один атом выступает в качестве донора неподеленной электронной пары. Другой атом не тратит свои электроны, а только лишь предоставляет орбиталь (ячейку) для этой электронной пары.

Ионная связь

В наиболее частом случае ионная связь образуется между типичным металлом и типичным неметаллом. Примеры:

Большой подсказкой служит таблица растворимости, ведь все соли имеют ионные связи: CaSO₄, Na₃PO₄. Даже ион аммония не исключение, между катионом аммония и различными анионами образуются ионные связи, например в соединениях: NH₄I, NH₄NO₃, (NH₄)₂SO₄.

Часто в химии встречаются несколько связей внутри одной молекулы. Рассмотрим, например, фосфат аммония, обозначив тип каждой связи внутри этой молекулы.

Металлическая связь

«Облако» электронов в металлах способно приходить в движение под различным воздействием. Именно оно является причиной электропроводности металлов.

Водородная связь

Водородные связи возникают между атомом водорода и другим более электроотрицательным атомом (O, S, N, C).

Отчасти за счет водородных связей наблюдается то самое исключение, связанное с усилением кислотных свойств в ряду галогеноводородных кислот: HF → HCl → HBr → HI. Фтор является самым ЭО-ым элементов, сильно притягивает к себе атом водорода другой молекулы, что снижает способность кислоты отщеплять водород и снижает ее силу.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

Донорно-акцепторный механизм образования химической связи предполагает перенос заряда между акцептором и донором без создания между ними общей химической связи. Также возможна передача неподеленной пары электронов к акцептору от донора, в результате образуется связь.

Образование солей аммония

Рассмотрим донорно-акцепторный механизм на примере солей аммония. Начнем со взаимодействия аммиака (NH3) и трифторида бора (BF3). В процессе реакции происходит выделение 171,4 кДж/моль энергии. Взаимодействие протекает по уравнению:

Из четырех орбиталей, имеющихся у атома бора, три заполнены электронами, следовательно, есть одна вакантная орбиталь. В молекуле аммиака четыре орбитали азота укомплектованы электронами, причем три из них по обменному механизму дополнены электронами водорода. Одна орбиталь имеет электронную пару, принадлежащую только атому азота. Ее называют неподеленной электронной парой. Именно благодаря ей возможен донорно-акцепторный механизм.

Соединение между аммиаком и трифторидом бора возможно благодаря тому, что вакантная электронная пара аммиака размещается на свободной орбитали фторида бора.

Это донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи. Атом азота увеличивает валентность благодаря использованию неподеленной пары электронов для дополнительной связи. Бор повышает валентность посредством расположения на орбитали дополнительных электронов.

Таким образом, валентность этих химических элементов характеризуется и неспаренными электронами, и неподеленными электронными парами, и свободными орбиталями на внешнем энергетическом уровне.

Определения

Донором в данном примере выступает атом азота, который отдает свою электронную пару на образование химической связи. Акцептором является бор, обладающий вакантной орбиталью, принимающий электронную пару.

Процесс сопровождается уменьшением потенциальной энергии данной системы, выделением эквивалентного количества энергии. Вопросы, касающиеся механизма образования данного вида ковалентной связи, включены в курс школьной программы по химии, они предлагаются в итоговых тестах выпускникам средней общеобразовательной школы.

Образование катиона аммония

Ковалентная связь, образованная по донорно акцепторному механизму, характерна для солей аммония. Остановимся подробнее на ее особенностях. Итак, именно по донорно-акцепторному механизму образована связь между атомами азота и водорода в реакции:

В качестве акцептора выступает пустая орбиталь катиона водорода. Азот в катионе аммония проявляет валентность 4. Образование связи происходит и благодаря паре электронов, которые до начала взаимодействия принадлежали азоту.

Это связь ковалентная по донорно-акцепторному механизму. В итоге взаимодействия образуется катион аммония, который по ионному механизму будет объединяться с анионами, содержащимися в кислотах.

Образование угарного газа

Донорно-акцепторный механизм можно рассмотреть на примере молекулы СО. У атома углерода на внешнем энергетическом уровне располагаются два неспаренных электрона. Такое же количество неспаренных электронов есть и у атома кислорода. В результате между атомами образуется двойная связь.

За счет пары электронов кислорода и пустой орбитали углерода, для получения связи используется донорно-акцепторный механизм.

Молекула азотной кислоты

Благодаря наличию трех неспаренных электронов атом азота в данном соединении образует три варианта связей: с кислородом двойную, одинарную с кислородом гидроксильной группы. По донорно-акцепторному механизму образована связь между еще одним атомом кислорода и азота.

Неспаренные электроны размещаются на одной орбитали, при этом одна освобождается.

Также можно допустить, что атомом азота отдан кислороду электрон. Превратившись в катион аммония, имеющий 4 неспаренные электрона, он удерживает анион благодаря силам электростатического взаимодействия.

Свойства связи

В качестве донора выступают молекулы, в составе которых есть атомы N, O, F, Cl, связанные с атомами иных химических элементов. Акцептором выступает частица, имеющая вакантные электронные уровни. К примеру, это могут быть представители d-семейств, которые имеют незаполненные d-орбитали.

В молекуле аммиака для образования связи задействованы три неспаренных электрона атома азота, и по 1s-электрону у трех атомов водорода. Связи находятся вдоль трех осей р-орбиталей. Молекула имеет вариант правильной пирамиды, в углах которой располагаются атомы водорода, а в вершине — азот азота. Угол между связями составляет 107 градусов. Аналогичные по форме молекулы образуют с водородом следующие элементы: сурьма, мышьяк, фосфор.

Свойства ковалентной связи, которая образуется по донорно-акцепторному механизму, не отличаются от характеристик связи, сформированной по обменному механизму. В качестве доноров могут выступать атомы азота, серы, фосфора, кислорода, владеющие неподеленными электронными парами на валентных орбиталях небольшого размера.

Также акцепторами выступают d-элементы, у которых есть незаполненная энергетическая ячейка во внешнем электронном слое.

Отметим, что на данный механизм образования связи распространяются все основные характеристики: насыщаемость, длина, кратность.

Особенности органических соединений

Взаимодействие по обменному механизму возможно для органических доноров. В частности, среди них можно отметить π-доноров, типичным примером которых является тетракис(диметиламино)этилене (ТДАЭ), органические акцепторы (фуллерены), хинодиметаны с акцепторными заместителями.

При химическом взаимодействии подобных соединений создается комплекс с переносом заряда. В нем заряженный положительно донор с отрицательно заряженным акцептором взаимодействуют благодаря силам электростатической природы. Значение имеют системы, в которых перенос заряда в основном электронном состоянии происходит частично, а в случае фото возбуждения наблюдается полная его передача.

Такие системы, донорно-акцепторные диады, триады, внутри которых между акцептором и донором есть мостиковая группа, позволяющая повышать длительность состояния с переносом электрического заряда, применяются для получения устройств, преобразующих солнечную энергию. Подобное явление, связанное с переносом заряда в любых его формах, применяется во многих биологических процессах.

Именно поэтому так подробно рассматриваются особенности протекания взаимодействий по донорно-акцепторному механизму в органических соединениях, анализируются возможности ускорения (замедления) подобных процессов, варианты введения дополнительных веществ (катализаторов).

Подведем некоторые итоги

Донорно-акцепторное взаимодействие является одним из важнейших проявлений ковалентной полярной химической связи. Ему уделяется существенное внимание в неорганической, аналитической, органической химии.

К примеру, именно с точки зрения донорно-акцепторного механизма поясняется образование ковалентных локализованных связей в молекулярных ионах координационных (комплексных) соединений. Связь в них создается благодаря неподеленной паре электронов лиганда и свободной орбитали комплексообразователя. Также донорно-акцепторный механизм поясняет формирование промежуточных продуктов. В частности, это создание комплексов с переносом заряда.

Существует модель донорно-акцепторного механизма лишь в рамках представлений о валентности как о возможности локализации плотности электронов в процессе формирования ковалентных связей. Именно этот механизм является основой образования разнообразных комплексных соединений. Такое взаимодействие необходимо для кислотно-основных превращений, касающихся переноса иона водорода (акцептора), образования наноструктур.

Источник

Донорно-акцепторый механизм образования ковалентной связи

Перекрывание двух одноэлектронных атомных орбиталей — не единственный путь возникновения ковалентной связи. Атомы азота, кислорода, галогенов и некоторых других элементов в своих ковалентных соединениях имеют завершённые октеты, хотя не все орбитали их внешнего квантового слоя участвуют в образовании связей. Эти орбитали содержат n-электроны (nonbonding — не связывающие электроны) или неподелённые электронные пары (НЭП):

одна НЭП две НЭП три НЭП

Парами несвязывающих электронов при написании структурных формул обычно пренебрегают, однако их необходимо иметь в виду, т.к. они играют важную роль в проявлении химических свойств соединений. В частности, НЭП ответственны за способность веществ вступать во взаимодействие, при котором ковалентная связь образуется за счёт неподелённой электронной пары только одного партнёра (донора электронов), другой же атом (акцептор электронов) должен предоставить вакантную орбиталь. Это равносильно потере одного электрона донором и приобретению его акцептором, поэтому атомы, являющиеся партнёрами в образовании этой связи, меняют свои заряды.

Образованная таким путём ковалентная связь называется донорно-акцепторной, координационной или координативной. Существует четыре типа взаимодействия частиц, приводящих к образованию донорно-акцепторной связи.

1. Связь возникает при взаимодействии свободной орбитали катиона и НЭП аниона. Взаимодействуя друг с другом, обе частицы утрачивают заряды и образуют нейтральную молекулу.

а) взаимодействие гидроксид-иона и катиона водорода (протона):

б) взаимодействие бромид-аниона и метильного карбокатиона ( карбокатионами называются органические катионы, имеющие положительный заряд на атоме углерода; carbon — углерод)

в) взаимодействие метильного карбокатиона и метильного карбаниона

2. Связь образуется при взаимодействии катиона (акцептор электронов) и нейтральной молекулы, имеющей во внешнем квантовом слое атомную орбиталь, несущую НЭП (донор электронов). Получается катион, у которого положительный заряд формально принадлежит атому-донору (фактически он распределяется по всей частице):

Оба взаимодействующих атома поменяли заряды: атом В, передав электрон катиону, зарядился положительно, катион А+, получив электрон, нейтрализовал свой заряд. Суммы зарядов в левой и правой частях уравнения одинаковы.

Формулы Льюиса позволяют подсчитать заряды на атомах, образующих донорно-акцепторные связи. Для этого предложена эмпирическая формула:

где Z — заряд атома, G — номер группы (число валентных электронов), N — число электронов НЭП, В — число двухэлектронных связей.

В качестве примеров можно привести различные реакции протонирования (присоединения протона к какой-либо частице — донору электронов):

а) протонирование молекулы аммиака

Заряд атома азота в катионе аммония Z N = 5-0-4 = +1.

Координационную связь можно изобразить в виде стрелки, направленной от донора к акцептору:

Однако в действительности все четыре связи в ионе аммония совершенно не различимы.

б) протонирование молекулы воды

Заряд атома кислорода в катионе гидроксония: ZO = 6-2-3= +1.

в) протонирование молекулы спирта (метанола)

Катионы, в которых положительный заряд находится на атоме кислорода носят общее название катионов оксония.

Заряд атома кислорода в катионе оксония: ZО = 6 – 2 – 3 = +1.

3. Анион, владеющий НЭП (донор электронов), взаимодействует с нейтральной молекулой, имеющей свободную орбиталь (акцептор электронов). В результате реакции образуется анион, у которого отрицательный заряд формально принадлежит атому-акцептору:

Благодаря образованию координативной связи атом-донор нейтрализует свой заряд, а акцептор заряжается отрицательно. Суммарный заряд не изменяется.

а) взаимодействие фторид-аниона и молекулы фторида бора

б) взаимодействие молекулы хлорида алюминия и аниона хлора

4. И свободная орбиталь и неподелённая электронная пара принадлежат нейтральным молекулам. Взаимодействие между ними приводит к образованию новой нейтральной молекулы, но атомы, выступающие и в качестве донора, и в качестве акцептора, получают заряды с противоположными знаками:

Ковалентная связь, образование которой сопровождается появлением разноимённых зарядов на соседних атомах, представляет собой сочетание ковалентной и ионной связей и называется семиполярной или полуионной связью (приставка «семи» означает «наполовину»).

а) взаимодействие молекул аммиака и фторида бора

Если семиполярную связь изображают с помощью стрелки, то заряды на атомах не ставятся, но мы их всегда должны иметь в виду: Н3N → BF3.

б) взаимодействие диметилового эфира (метоксиметана) с фторидом бора

Важным примером соединения, содержащего семиполярную связь, является азотная кислота. Она образуется при каталитическом взаимодействии азотистой кислоты и атомарного кислорода:

Уравнение реакции (без деталей).

Донором электронной пары является атом азота, акцептором — атом кислорода, который освобождает для этого одну р-орбиталь, спаривая два электрона. Энергия, затраченная на этот процесс компенсируется при образовании новой связи.

Формально атомы кислорода в нитрогруппе имеют разные заряды. Но фактически здесь происходит процесс делокализации электронов, заряды на атомах кислорода выравниваются, каждый атом реально имеет заряд – 0,5. Атом азота сохраняет заряд +1:

Источник

Донорно-акцепторная связь

Донорно-акцепторный механизм (иначе координационный механизм) — способ образования ковалентной химической связи между двумя атомами или группой атомов, осуществляемый за счет неподеленной пары электронов атома-донора и свободной орбитали атома-акцептора.

Термины «донорно-акцепторная связь» или «координационная связь» некорректны, поскольку это не есть вид химической связи, а лишь теоретическая модель, описывающая особенность её образования. Свойства ковалентной химической связи, образованной по донорно-акцепторному механизму, ничем не отличаются от свойств связей, образованных по обменному механизму (например, связи N—H в аммонии (NH₄ + ) или связи O—H в гидроксонии (Н₃O + )).

Именно с позиций донорно-акцепторного механизма описывается образование локализованных ковалентных связей в молекулах и молекулярных ионах комплексных (координационных) соединений: связь формируется за счёт неподелённой пары электронов лиганда и свободной орбитали атома-комплексообразователя. Донорно-акцепторный механизм также описывает образование промежуточных продуктов (интермедиатов) реакции, например, комплексов с переносом заряда.

Модель донорно-акцепторного механизма существует только в рамках представлений о валентности как о локализации электронной плотности при образовании ковалентных связей (метод валентных схем). В рамках метода молекулярных орбиталей необходимости в подобных представлениях нет.

См. также

Полезное

Смотреть что такое «Донорно-акцепторная связь» в других словарях:

ДОНОРНО-АКЦЕПТОРНАЯ СВЯЗЬ — (координационная связь), химическая связь между атомами, молекулами, радикалами, обычно не имеющими неспаренных эл нов. Одна из ч ц при образовании такой связи явл. донором пары эл нов, другая акцептором. Акцептор способен принимать эл ны, к ним… … Физическая энциклопедия

ДОНОРНО-АКЦЕПТОРНАЯ СВЯЗЬ — то же, что координационная связь … Большой Энциклопедический словарь

донорно-акцепторная связь — то же, что координационная связь. * * * ДОНОРНО АКЦЕПТОРНАЯ СВЯЗЬ ДОНОРНО АКЦЕПТОРНАЯ СВЯЗЬ, то же, что координационная связь (см. КООРДИНАЦИОННАЯ СВЯЗЬ) … Энциклопедический словарь

Донорно-акцепторная связь — координационная связь, термин, обозначающий один из способов образования химической ковалентной связи (См. Ковалентная связь). Обычная ковалентная связь между двумя атомами обусловлена взаимодействием двух электронов по одному от каждого… … Большая советская энциклопедия

ДОНОРНО-АКЦЕПТОРНАЯ СВЯЗЬ — то же, что координационная связь … Естествознание. Энциклопедический словарь

СВЯЗЬ ХИМИЧЕСКАЯ ДОНОРНО-АКЦЕПТОРНАЯ — связь, возникающая за счет использования одним атомом или ионом пары электронов, принадлежащих другому взаимодействующему атому. Простейшим примером может служить присоединение Н+ к NH3 с образованием NH4+, у N имеется s2 и р3 электрона. Три… … Геологическая энциклопедия

донорно-акцепторное взаимодействие — Термин донорно акцепторное взаимодействие Термин на английском coordination bond Синонимы донорно акцепторная связь, координационная связь Аббревиатуры Связанные термины акцептор, донор, супрамолекулярная химия Определение ковалентная химическая… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

Связь (химия) — Химическая связь явление взаимодействия атомов, обусловленное перекрыванием электронных облаков, связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшением полной энергии системы. Термин «химическое строение» впервые ввёл А. М. Бутлеров в 1861… … Википедия

Связь химическая — Химическая связь явление взаимодействия атомов, обусловленное перекрыванием электронных облаков, связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшением полной энергии системы. Термин «химическое строение» впервые ввёл А. М. Бутлеров в 1861… … Википедия

Координационная связь — Донорно акцепторная связь (координационная связь) химическая связь между двумя атомами или группой атомов, осуществляемая за счет неподеленной пары электронов одного атома (донора) и свободной орбитали другого атома (акцептора). Донорно… … Википедия

Источник