Сигма- і пі-зв’язки є двома типами ковалентні зв'язки міститься в молекулах і сполуках. Сигма- та пі-зв’язки відіграють вирішальну роль у розумінні структури, стабільності та реакційної здатності широкого спектру хімічних речовин. Сигма-зв’язки характеризуються лобовим перекриттям, більшою електронною щільністю вздовж осі зв’язку та здатністю до вільного обертання. З іншого боку, пі-зв’язки включають паралельне перекривання p-орбіталей, електронну густину над і під міжядерною віссю та певною мірою обмежують обертання.
У цій статті ми обговоримо концепцію сигма- та пі-зв’язків, включаючи їхні різні приклади, характеристики та ключові відмінності між обома зв’язками. До кінця цієї статті ви матимете чітке розуміння цих важливих ковалентних зв’язків, наприклад сигма- та пі-зв’язків; та їхнє значення у світі хімії.
Зміст
- Що таке Sigma Bond?
- Типи сигма-зв'язку
- Що таке Pi Bonds?
- Відмінності зв'язків Sigma та Pi
- Значення сигма- та пі-зв'язків у хімічному зв'язку
Що таке Sigma Bond?
Сигма-зв'язок утворюється шляхом наскрізного перекриття орбіталей зв'язку вздовж між'ядерної осі. Це називається лобовим перекриттям або осьовим перекриттям. Перекривання s-орбіталей, а також перекривання p-орбіталей в одному зв’язку призводить до сигма-зв’язків. Сигма-зв’язки допускають вільне обертання навколо осі зв’язку, оскільки електронна густина зосереджена вздовж осі зв’язку.
Характеристика сигма-облігацій
Ключовими характеристиками сигма-зв’язків є:
- Сигма-зв'язок - це міцний зв'язок із чітко визначеним напрямком.
- Електронна густина в сигма-зв'язку зосереджена вздовж між'ядерної осі.
- Сигма-зв'язки допускають вільне обертання навколо осі зв'язку.
- Сигма-зв'язки можуть існувати в одинарних, подвійних або потрійних зв'язках.
- Сигма-зв'язки мають циліндричну симетрію вздовж осі зв'язку.
Приклади сигма-облігацій
Існують різні приклади сигма-зв’язків, оскільки всі одинарні зв’язки є лише симага-зв’язками. Ось кілька поширених прикладів:
- У метані (CH4), вуглець-водневі одинарні зв’язки є сигма-зв’язками.
- В етені (C2Х4), подвійний зв’язок вуглець-вуглець включає один сигма-зв’язок і один пі-зв’язок.
- У молекулі води (H2O), є два сигма-зв’язки: один між кожним атомом водню та атомом кисню.
- В аміаку (NH3), існує три сигма-зв’язки, по одному для кожного атома водню, зв’язаного з атомом азоту.
Сигма-зв'язки в теорії молекулярних орбіталей
- У теорії молекулярних орбіталей сигма-зв’язки пояснюються з точки зору взаємодії між атомними орбіталями з утворенням молекулярних орбіталей.
- У теорії молекулярних орбіталей відправною точкою є розгляд атомних орбіталей окремих атомів у молекулі.
- Утворення сигма-зв'язків включає перекривання атомних орбіталей двох атомів.
- Коли дві атомні орбіталі перекриваються, вони об’єднуються, утворюючи молекулярні орбіталі.
- У випадку сигма-зв’язку конструктивна інтерференція хвильових функцій двох атомних орбіталей призводить до сигма-молекулярної орбіталі (σ MO).
- Теорія молекулярних орбіталей передбачає утворення як зв’язуючих, так і антизв’язувальних молекулярних орбіталей.
- Зв'язок MO (σ зв'язок) має меншу енергію і пов'язаний з електронною щільністю між ядрами, яка стабілізує молекулу.
- Антизв'язувальний МО (σ* антизв'язування) має вищу енергію та містить електронну густину за межами міжядерної області.
Типи сигма-зв'язку
Сигма-зв’язки можна класифікувати на різні типи на основі природи залучених атомних орбіталей і способу їх перекриття. Основні типи сигма-зв'язків включають:
з-с Перекриття
При накладенні ss дві s-орбіталі двох атомів перекриваються безпосередньо вздовж міжядерної осі (лобове перекриття).
Наприклад, у молекулі водню (H2) два атоми водню утворюють сигма-зв’язок через ss-перекриття.
У цьому випадку відбувається перекриття двох наполовину заповнених s-орбіталей уздовж міжядерної осі, як показано нижче:
з-п Перекриття
У цьому випадку відбувається перекриття між наполовину заповненою s-орбіталлю одного атома та наполовину заповненою p-орбіталлю іншого атома. У sp-перекриванні одна s-орбіталь і одна p-орбіталь двох різних атомів перекриваються безпосередньо вздовж міжядерної осі.
Класичним прикладом sp-перекривання є вуглець-водневі (C-H) зв'язки в метані (CH4), де 2s-орбіталь атома вуглецю перекривається з 1s-орбіталлю атома водню, утворюючи сигма-зв’язки.
п-п Перекриття
Цей тип перекривання відбувається між наполовину заповненими р-орбіталями двох зближених атомів. При pp-накладенні дві паралельні p-орбіталі двох атомів перекриваються пліч-о-пліч над і під міжядерною віссю.
Наприклад, у такій молекулі, як етен (C2Х4), вуглець-вуглецевий подвійний зв’язок складається як із сигма-зв’язку, так і з пі-зв’язку, утвореного через накладання pp.
Що таке Pi Bonds?
При утворенні пі-зв’язку атомні орбіталі перекриваються таким чином, що їхні осі залишаються паралельними одна одній і перпендикулярними до між’ядерних осей. Пі-зв’язки зазвичай утворюються на додаток до сигма-зв’язків у подвійних або потрійних зв’язках (наприклад, в алкінах або алкінах) і передбачають перекривання негібридизованих р-орбіталей. Пі-зв’язки певною мірою обмежують обертання навколо осі зв’язку, оскільки густина електронів вище та нижче міжядерна вісь.
Характеристики зв'язків Pi
- Пі-зв'язки обмежують обертання між атомами в молекулі.
- У пі-зв’язку електронна густина зосереджена над і під міжядерною віссю.
- Пі-зв’язки, як правило, слабкіші, ніж сигма-зв’язки, через їх перекриття збоку в бік.
- У пі-зв’язках електронна густина розподілена на більшій площі.
- Пі-зв’язки зазвичай зустрічаються у подвійних і потрійних зв’язках.
Приклади зв'язків Pi
- Етен (також відомий як етилен) містить подвійний зв'язок між двома атомами вуглецю. У цьому зв’язку є один сигма-зв’язок (σ) і один пі-зв’язок (π), утворені перекриттям p-орбіталей.
- Бензол є шестичленною кільцевою структурою з чергуванням одинарних і подвійних зв’язків. Він містить три сигма-зв’язки (C-C) і три пі-зв’язки (C=C).
- У молекулі кисню (О2), між двома атомами кисню існує подвійний зв’язок. Цей подвійний зв’язок містить один сигма-зв’язок і один пі-зв’язок. Пі-зв’язок утворюється, коли p-орбіталі атомів кисню перекриваються пліч-о-пліч.
- У молекулі азоту (Н2), між двома атомами азоту існує потрійний зв’язок, що складається з одного сигма-зв’язку (σ) і двох пі-зв’язків.
Відмінності зв'язків Sigma та Pi
Відмінності між сигма-і пі-зв'язком такі:
| Характеристика | Сигма (σ) зв'язок myflixr | Пі (π) зв'язок |
|---|---|---|
| Формування зв'язку | Утворений лобовим або наскрізним перекриттям атомних орбіталей. | Утворений боковим перекриттям атомних орбіталей. |
| Кількість облігацій в одній облігації | Одинарний сигма-зв’язок завжди присутній в одному ковалентному зв’язку. | Одинарний пі-зв’язок зазвичай супроводжується сигма-зв’язком у одинарному зв’язку. |
| Розподіл електронів | Електрони зосереджені вздовж осі між двома ядрами. | Електрони розподіляються над і під віссю зв’язку, створюючи хмару електронів. |
| Міцність зв'язку | Сигма-зв'язки, як правило, міцніші та стабільніші, ніж пі-зв'язки. | Пі-зв’язки слабші та більш сприйнятливі до розриву, ніж сигма-зв’язки. |
| Обертання | Сигма-зв'язки допускають вільне обертання навколо осі зв'язку. | Зв’язки Pi обмежують обертання та створюють характер подвійного або потрійного зв’язку. |
| Гібридизація | Сигма-зв’язки можуть утворюватися з s- та p-орбіталями та включати sp, sp2, або зр3гібридизація. | Pi-зв’язки зазвичай передбачають перекривання p-p і можуть потребувати використання негібридизованих p-орбіталей. |
| Розташування в Multiple Bonds | Сигма-зв’язки знаходяться в одинарних зв’язках, а перший зв’язок – у множинних зв’язках (наприклад, у подвійному або потрійному зв’язку). | Зв’язки Pi зустрічаються в множинних зв’язках, таких як другий і третій зв’язки в подвійному або потрійному зв’язку. |
| Тип перекриття | Пряме перекриття орбіталей. | Бокове перекриття орбіталей. |
| Приклади | Одинарний зв’язок C-C, зв’язок C-H, подвійний зв’язок C=C, потрійний зв’язок C≡C | Подвійний зв’язок C=C, потрійний зв’язок C≡C, потрійний зв’язок N=N |
| Сила | Загалом сильніше | Загалом слабше |
| Число в множинних облігаціях | Один сигма-зв'язок в одинарному зв'язку; один сигма-зв'язок у подвійному зв'язку (плюс один пі-зв'язок); один сигма-зв’язок у потрійному зв’язку (плюс два пі-зв’язки) | Один пі-зв'язок у подвійному зв'язку; два пі-зв'язки в потрійному зв'язку |
| Електронна густина | Зосереджено вздовж міжядерної осі | Зосереджено над і під міжядерною віссю |
| Обертання | Дозволяє вільне обертання навколо осі Бонда | Обмежує обертання через перекриття з боку в бік |
| Геометрія орбіталей | Сигма-орбіталі є циліндрично симетричними. | Pi-орбіталі мають дві пелюстки над і під віссю зв’язку. |
| виникнення | Знаходиться у всіх ковалентних зв’язках, включаючи одинарні, подвійні та потрійні зв’язки | Знаходиться у подвійних і потрійних зв'язках |
Приклади сигма- і пі-зв'язків
Існують різні приклади сигма- та пі-зв’язків. Давайте обговоримо деякі приклади:
Сигма-і пі-зв'язки в етені (C2Х4)
У молекулах з подвійними (π) або потрійними (σ) зв’язками крім пі-зв’язків також існують сигма-зв’язки. Наприклад, в етені (C2Х4), вуглець-вуглецевий зв’язок містить один сигма-зв’язок і один пі-зв’язок.
Сигма-зв’язок — це зв’язок безпосередньо між двома атомами вуглецю (C-C), а пі-зв’язок утворюється над і під сигма-зв’язком на р-орбіталях атомів вуглецю.
Сигма-і пі-зв'язки в ацетилені (C2Х2)
Ацетилен (C2Х2) містить потрійний зв’язок між двома атомами вуглецю. Цей потрійний зв’язок складається з одного сигма-зв’язку та двох пі-зв’язків:
У цьому випадку два пі-зв’язки присутні над і під сигма-зв’язком. Пі-зв'язки утворюються внаслідок бічного перекриття р-орбіталей атомів вуглецю.
Сигма-і пі-зв'язки в бензолі
У бензолі (C6Х6), існує шість сигма (σ) зв’язків, утворених лобовим перекриттям атомних орбіталей, що забезпечує структурну стабільність. Крім того, існують три пі (π) зв’язки, пов’язані з чергуванням подвійних зв’язків у гексагональному кільці, що сприяє унікальній стабільності та реакційній здатності молекули завдяки делокалізованій електронній хмарі над і під кільцем.
knn
Значення сигма- та пі-зв'язків у хімічному зв'язку
Існує певне значення сигма- та пі-зв’язків у хімічному зв’язку, і це:
- Кількість і типи сигма- і пі-зв'язків у молекулі мають вирішальне значення для визначення її стехіометрії.
- Їх важливість полягає в їх внеску в структуру, стабільність і реакційну здатність молекул.
- Сигма-зв’язки допускають вільне обертання навколо осі зв’язку, що має вирішальне значення для вивчення конформаційної ізомерії в органічній хімії. Пі-зв’язки, з іншого боку, обмежують обертання, сприяючи жорсткості молекул, що містять подвійні або потрійні зв’язки.
Зразок запитання про облігації Sigma та Pi
Запитання 1: детально обговоріть Sigma та Pi Bond.
відповідь:
Сигма (σ) і пі (π) зв’язки є двома основними типами ковалентних зв’язків, які утворюються між атомами, коли вони ділять електрони. Сигма-зв’язки, як правило, міцніші, ніж пі-зв’язки, через більш пряме перекриття орбіталей, що призводить до більшої густини електронів уздовж осі зв’язку.
Запитання 2: Поясніть відмінності між Sigma та Pi Bond.
відповідь:
Сигма-зв’язки (σ) утворюються шляхом лобового перекриття атомних орбіталей, що забезпечує вільне обертання вздовж осі зв’язку. Пі-зв’язки (π) є результатом бокового перекриття р-орбіталей, що обмежує обертання та утворює подвійний або потрійний зв’язок. Сигма-зв’язки сильніші та первинні, тоді як пі-зв’язки слабші та вторинні в кратних зв’язках.
Запитання 3: Як визначається стабільність будь-якої молекули?
відповідь:
Стійкість молекули в першу чергу визначається міцністю ковалентних зв’язків і розташуванням цих зв’язків у структурі молекули. Сигма-зв'язки забезпечують первинний зв'язок між атомами і, як правило, міцніші, ніж пі-зв'язки. Однак пі-зв’язки сприяють загальній міцності зв’язку та можуть впливати на геометрію та реакційну здатність молекули. Поєднання сигма- та пі-зв’язків дозволяє утворювати стабільні молекули з чітко визначеними структурами, і їх присутність має вирішальне значення для визначення хімічних властивостей та реакційної здатності сполук.
Sigma Bonds і Pi Bonds: поширені запитання
1. Що таке зв’язки Sigma та Pi?
Сигма (σ) зв’язки є результатом прямого перекривання атомних орбіт і дозволяють вільно обертатися. Pi (π) зв'язки утворюються з паралельного перекривання p-орбіт, що обмежує обертання.
2. Скільки сигма-зв’язків і пі-зв’язків може мати один зв’язок?
Одинарний ковалентний зв’язок складається з одного сигма-зв’язку, а пі-зв’язки в одному зв’язку відсутні.
3. Чи може подвійний зв’язок мати і сигма-, і пі-зв’язки?
Подвійний зв’язок складається з одного сигма (σ) зв’язку та одного пі (π) зв’язку.
4. Які типи орбіталей можуть утворювати сигма-зв’язки?
Сигма-зв’язки можуть утворюватися в результаті перекривання s-s, s-p, p-p та деяких d-орбіталей.
5. Які типи орбіталей можуть утворювати пі-зв’язки?
Пі-зв’язки утворюються в результаті перекривання паралельних p-p або d-p орбіталей.
6. Чи можуть сигма- та пі-зв’язки співіснувати в одній молекулі?
Так, сигма- і пі-зв’язки можуть співіснувати в одній молекулі, як у подвійних і потрійних зв’язках.
7. Чи всі молекули мають сигма- та пі-зв’язки?
Не всі молекули мають як сигма-, так і пі-зв'язки; деякі мають лише сигма-зв'язки.
8. Чи однаково міцні сигма- і пі-зв’язки?
Сигма-зв’язки, як правило, міцніші, ніж пі-зв’язки, завдяки більшому перекриванню орбіталей у сигма-зв’язках.
9. Як визначити сигма- і пі-зв'язки?
Зображуючи структуру Льюїса та ідентифікуючи одинарні, подвійні та потрійні зв’язки.
10. Яке число сигма (σ) і пі (π) зв’язків у бензолі?
Сигма (σ) зв’язки: у бензолі всього 12 сигма-зв’язків. До них належать шість простих зв’язків вуглець-вуглець і шість одинарних зв’язків вуглець-водень.
Пі (π) зв’язки: у бензолі є три пі зв’язки (π зв’язки), які сприяють його ароматичності.