Химическая связь. 
Химия

В химической реакции между атомами образуются химические связи, разрываются связи в молекулах исходных веществах и образуются новые связи в молекулах продуктах реакции. Химическая связь — результат взаимодействия атомов, при котором происходит перераспределение электронной плотности у связывающихся атомов с образованием молекул, ионов и кристаллов.

Предложено несколько теорий химической связи. Некоторые из них объясняют существование и свойства многих соединений одного класса, но не способны объяснить те же свойства соединений другого класса. Далее пойдет речь о теории химической связи, основанной на перекрывании электронных оболочек орбиталей атомов с противоположно направленными спинами.

Образование химической связи сопровождается выделением энергии, а разрыв связей — поглощением того же количества энергии (теплоты). Молекула водорода образуется из атомов с выделением 432,1 кДж теплоты:

Тепловой эффект этой реакции соответствует энергии связи между атомами водорода, т. е. тому количеству энергии, которое затрачивается на разрыв 1 моля связей (число Авогадро связей N_A = = 6,02 • 10²³). Для молекулы водорода она равна 432,1 кДж/моль:

Очевидно, что энергия связи численно равна энергии, выделяемой при образовании той же связи.

Образование двухатомной (или многоатомной) молекулы возможно при соблюдении многих требований, основные из которых следующие:

• 1) противоположно направленные спины;
• 2) столкновение молекул определенными местами;
• 3) энергия столкновения частиц выше некоторой определенной величины (энергии активации), превышающей энергию отталкивания зарядов атомов (см. ниже);
• 4) температура достаточно низка для предотвращения распада образующейся молекулы от действия окружающих частиц при броуновском движении.

Максимальная вероятность нахождения электрона в некотором пространстве вблизи ядра атома водорода — на некотором расстоянии (боровском радиусе) от ядра, что соответствует поверхности шара. Если два атома водорода образовали молекулу водорода Н₂, то вероятность встретить электрон на шаровой поверхности понижается и возрастает в пространстве между ядрами двух атомов.

Образование химической связи происходит при увеличении электронной плотности между ядрами атомов, или при перекрывании электронных облаков (орбиталей) двух атомов (рис. 1.10).

Перекрывание орбиталей приводит к понижению энергии реагирующих атомов и ее выделению в виде теплоты (излучения), при этом расстояние между ядрами атомов становится меньше суммы расстояний зон наибольшей электронной плотности атомов. Образовавшаяся молекула характеризуется кроме энергии связи межъядерным расстоянием (длиной связи). Чем выше энер;

Рис. 1.10. Схема образования химической связи между атомами водорода гия связи и чем меньше межъядерное расстояние, тем прочнее химическая связь и тем устойчивее соединение.

Механизм образования химической связи объединением двух электронов двух атомов в электронную пару, занимающую одну орбиталь, называется ковалентным. Часто саму химическую связь называют ковалентной.

При образовании связи между одинаковыми атомами водорода зона перекрывания электронных облаков в равной мере принадлежит обоим атомам и находится посредине между ядрами атомов. Такую связь принято называть неполярной. Если молекула образована из двух разных атомов, то зона перекрывания электронных облаков (орбиталей) смещается в сторону одного из атомов, и такая связь называется полярной. При полярной связи вероятность нахождения электронов у ядра одного из атомов выше, чем у другого.

Если молекула образуется из атомов двух разных элементов, область перекрывания смещяется к одному из ядер. Такую связь называют ионной. Вещества с чисто ионной связью неизвестны. Правильнее было бы называть ионную связь очень полярной, так как полного перехода одного электрона к другому атома не наблюдается и у самых близких к ионной связи соединений доля ионности не превышает 90%.

Свойство атомов оттягивать на себя область перекрывания электронных облаков зависит от соотношения их способностей отдавать электрон (энергия ионизации) и принимать его (энергия сродства к электрону). Обычно способность отдавать электрон в несколько раз выше способности принимать электрон. Поэтому, зная энергии ионизации взаимодействующих атомов, можно предсказать направление смещения области перекрывания электронных облаков и знак образующихся зарядов на атоме. Чем выше энергия ионизации атома, тем труднее оторвать от атома электрон, тем сильнее атом притягивает электрон другого атома (т.е. тем сильнее его стремление перетянуть к себе зону перекрывания электронных оболочек химической связи) и тем выше образующийся на нем отрицательный заряд.

Например, энергия ионизации атома лития равна 513,3 кДж/моль, энергия ионизации атома фтора равна 1681 кДж/моль. Можно предположить, что в газовой молекуле LiF область перекрывания будет смещена в сторону фтора. Таким образом, из-за того что способность оттягивать на себя электронную плотность у фтора больше, чем у лития, связь Li—F в молекуле LiF в газовой фазе и в кристалле полярна в большой степени. Наиболее полярна связь в молекуле CsF.

При переходе по периоду от атома 5-элемента (основного) к атому галогена способность атомов притягивать область перекрывания электронных облаков возрастает. Вниз по группе энергии ионизации атомов и способность оттягивать область перекрывания электронных облаков понижаются. Чем сильнее различие в энергиях ионизации образующих молекулу атомов, тем полярнее связь. Смещение области перекрывания происходит в сторону ядра того из атомов, который расположен выше и правее в периодической таблице элементов.

Следует также иметь в виду, что полярность связи зависит от вида окружающих молекул, например находятся ли они в различных растворителях или в кристаллах. Слабая полярная связь может превращаться в сильную и наоборот.