Что такое донорно акцепторный механизм в химии
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
Донорно-акцепторный механизм
Известно, что валентно насыщенные соединения аммиак NH3 и трифторид бора BF3 реагируют друг с другом по реакции
NH3 + BF3 = NH3BF3 + 171,4 кДж/моль.
Рассмотрим механизм этой реакции:
Видно, что из четырех орбиталей бора три заселены, а одна — остается вакантной. В молекуле аммиака заселены все четыре орбитали азота, из них три – по обменному механизму электронами азота и водорода, а одна содержит электронную пару, оба электрона которой принадлежат азоту. Такая электронная пара называется неподеленной электронной парой. Образование соединения H3N · BF3 происходит за счет того, что неподеленная электронная пара аммиака занимает вакантную орбиталь фторида бора. При этом уменьшается потенциальная энергия системы и выделяется эквивалентное количество энергии. Подобный механизм образования называют донорно-акцепторным, донором – такой атом, который отдает свою электронную пару для образования связи (в данном случае атом азота); а атом, который предоставляя вакантную орбиталь, принимает электронную пару, называется акцептором (в данном случае атом бора). Донорно-акцепторная связь является разновидностью ковалентной связи.
В соединении H3N · BF3 азот и бор – четырехвалентны. Атом азота повышает свою валентность от 3 до 4 в результате использования неподеленной электронной пары для образования дополнительной химической связи. Атом бора повышает валентность за счет наличия у него свободной орбитали на валентном электронном уровне. Таким образом, валентность элементов определяется не только числом неспаренных электронов, но и наличием неподеленных электронных пар и свободных орбиталей на валентном электронном уровне.
Более простым случаем образования химической связи по донорно-акцепторному механизму является реакция аммиака с ионом водорода:
. Роль акцептора электронной пары играет пустая орбиталь иона водорода. В ионе аммония NH4+ атом азота четырехвалентен.
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.
Донорно-акцепторный механизм: примеры, описание
Химической связью называется связь двух и более атомов (молекул) в органическом или неорганическом соединении. Она образуется при условии уменьшения общей энергии в системе.
Все ли элементы могут образовывать химические связи
Все элементы периодической системы имеют разную способность к образованию связи. Наиболее устойчивыми и, как результат, химически малоактивными являются атомы благородных (инертных) газов, так как содержат на внешней электронной оболочке два или восемь электронов. Они образуют небольшое количество связей. К примеру, неон, гелий и аргон не образуют химических связей ни с одним элементом, тогда как ксенон, криптон и радон способны реагировать с фтором и молекулами воды.
У атомов других элементов внешние уровни не завершены и имеют от одного до семи электронов, поэтому для повышения устойчивости оболочки образуют химические связи.
Типы химической связи
Выделяют несколько типов связи:
Ковалентная связь
Данный тип связи формируется между атомами в молекуле в результате обобществления или перекрытия валентной электронной пары. Соответственно, существует обменный (а) и донорно-акцепторный (б) механизмы образования ковалентной связи. Отдельным случаем является дативная связь, которая будет рассмотрена ниже.
Ковалентная связь: обменный механизм
У атомов на внешнем уровне есть неспаренные электроны. При взаимодействии внешние оболочки перекрываются. Антипараллельные спины одиночных электронов, содержащихся на внешних уровнях, спариваются с образованием электронной пары, общей для обоих атомов. Данная пара электронов представляет, собственно, ковалентную связь, которая образована по обменному механизму, к примеру, в молекуле водорода.
Ковалентная связь: донорно-акцепторный механизм
Схематически реакция образования частицы аммония выглядит следующим образом:
Атом азота на внешнем уровне содержит два s- и три p-электрона. Три p-электрона участвуют в образовании трех ковалентных обменного типа связей азот-водород N-H. В результате этого образуется молекула аммиака NH3 с ковалентным типом связи. Поскольку атом азота N на внешнем уровне имеет еще пару электронов s, молекула NH3 может присоединить еще и катион водорода. Молекула аммиака является донором, а катион водорода H + – акцептором, который принимает донорские электроны от азота на собственную свободную s-орбиталь.
Пример донорно-акцепторного механизма – H3O (ион гидроксония)
Атом кислорода на внешнем уровне имеет два s и четыре p-электрона. Исходя из этого, в образовании связей H-O принимают участие два свободных p-электрона и два s-электрона от двух атомов H. То есть 2 имеющиеся связи в молекуле H2O – ковалентные, образованные по обменному механизму.
Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи между неорганическими молекулами
Донорно-акцепторный механизм ковалентной связи возможен не только во взаимодействиях типа «атом-атом» или «молекула-атом», но и в реакциях, протекающих между молекулами. Единственным условием для донорно-акцепторного взаимодействия кинетически независимых молекул является уменьшение энтропии, другими словами, повышение упорядоченности химической структуры.
При возбуждении атома B один электрон s-типа переходит на p-подуровень (1s 2 2s 1 2p 2 ). Таким образом, на внешнем уровне возбужденного атома бора находится два s- и два p-электрона.
В молекуле BF3 три ковалентные связи бор-фтор B-F образованы обменного типа (атомы бора и фтора предоставляют по одному электрону). После образования трех ковалентных связей у атома бора на внешней электронной оболочке остается свободный p-подуровень, за счет которого молекула фторида бора может выступать акцептором электронов.
По три электрона от атомов N и H участвуют в формировании связи азот-водород. После этого у азота остается еще два электрона s-типа, которые он может предоставить для образования связи по донорно-акцепторному механизму.
В реакции взаимодействия трифторида бора и аммиака молекула NH3 играет роль донора электронов, а молекула BF3 – акцептора. Пара электронов азота занимает свободную орбиталь фторида бора и образуется химическое соединение NH3BF3.
Схематически реакция выглядит следующим образом:
Две связи бериллий-фтор в молекуле фторида бериллия ковалентные обменного типа (участвуют два p-электрона от двух атомов фтора и два электрона s-подуровня атома бериллия).
Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи между органическими молекулами
Донорно-акцепторный механизм без формирования химической связи
Не во всех случаях донорно-акцепторного взаимодействия происходит обобществление электронной пары и образование связи. Некоторые органические соединения могут объединяться между собой за счет перекрывания заполненной орбитали донора с пустой орбиталью акцептора. Происходит перенос заряда – электроны делокализуются между акцептором и донором, расположенными очень близко друг к другу. Образуются комплексные соединения с переносом заряда (КПЗ).
Такое взаимодействие характерно для пи-систем, орбитали которых легко перекрываются, а электроны легко поляризуются. В роли доноров могут выступать металлоцены, ненасыщенные аминосоединения, ТДАЭ (тетракис(диметиламино)этилен). Акцепторами зачастую являются фуллерены, хинодиметаны, имеющие акцепторные заместители.
Перенос заряда может быть как частичным, так и полным. Полный перенос заряда происходит при фотовозбуждении молекулы. При этом образуется комплекс, который можно наблюдать спектрально.
Независимо от полноты переноса заряда, такие комплексы неустойчивы. Для повышения прочности и времени жизни такого состояния дополнительно внедряют мостиковую группу. В результате этого донорно-акцепторные системы успешно используются в устройствах преобразования солнечной энергии.
В некоторых органических молекулах связь по донорно-акцепторному механизму формируется внутри молекулы между донорной и акцепторной группой. Такой тип взаимодействия носит название трансаннулярного эффекта, характерного, к примеру, для атранов (элементоорганические соединения со связями N->B, N->Si).
Семиполярная связь, или Дативный механизм образования связи
Кроме обменного и донорно-акцепторного существует третий механизм – дативный (другие названия – семиполярная, полуполярная или координационная связь). Атом-донор отдает пару электронов на свободную орбиталь нейтрального атома, которому необходимы два электрона, чтобы завершить внешний уровень. Происходит своеобразный переход электронной плотности от акцептора к донору. При этом донор становится положительно заряженным (катион), а акцептор – отрицательно заряженным (анион).
Собственно химическая связь формируется за счет связывающей оболочки (перекрывания двух спаренных электронов одного из атомов внешней свободной орбиталью другого) и электростатической притяжения, возникающего между катионом и анионом. Таким образом, в семиполярной связи сочетаются ковалентный и ионный типы. Полуполярная связь характерна для d-элементов, которые в разных соединениях могут играть роли и акцептора, и донора. В большинстве случаев она встречается в комплексных и органических веществах.
Примеры дативной связи
Самый простой пример – молекула хлора. Один атом Cl отдает пару электронов другому атому хлора, у которого есть свободная d-орбиталь. При этом один атом Cl заряжается положительно, другой – отрицательно, и между ними возникает электростатическое притяжение. Из-за большой длины дативная связь имеет меньшую прочность в сравнении с ковалентной обменного и донорно-акцепторного типа, но ее наличие повышает прочность молекулы хлора. Именно поэтому молекула Cl2 более прочна, чем F2 (у атома фтора нет d-орбиталей, связь фтор-фтор только ковалентная обменная).
Значение донорно-акцепторной связи
Механизм образования донорно-акцепторной связи имеет важное значение в жизни человека и широко распространен в химических соединениях как органической, так и неорганической природы, что подтверждают рассмотренные выше примеры. Нашатырный спирт, в составе которого есть катион аммония, успешно применяется в быту, медицине и промышленном производстве удобрений. Ион гидроксония играет главную роль в растворении кислот в воде. Угарный газ применяется в промышленности (например, при производстве удобрений, лазерных систем) и имеет огромное значение в физиологических системах организма человека.
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.