Химическая связь. 
Теоретические основы химии

Знание природы взаимодействия атомов в веществе является основополагающим для выявления многообразия химических соединений, определения состава материалов, их строения и реакционной способности.

Причиной возникновения химической связи является такое состояние атома, при котором он всегда стремится восполнить свою оболочку до двухили восьмиэлектронного облака. При взаимодействии атомов образуется устойчивая молекула, причем потенциальная энергия молекулы, всегда меньше энергии исходных атомов. Химическая связь образуется только тогда, когда потенциальная энергия при сближении атомов понижается.

В химической связи участвуют валентные электроны, расположенные на внешнем или предвнешнем энергетических уровнях.

Таблица 3.1. Примеры электронных формул атомов.

Рис. 3.1. Валентные подуровни и валентные электроны атомов титана и мышьяка

У sи pэлементов валентными являются электроны внешнего слоя (ns2np6), у dэлементов валентными являются электроны sсостояния внешнего слоя и d — состояния предвнешнего слоя (ns2(n-1)d10), у fэлементов (лантаноиды и актиноиды) электроны fсостояния не являются валентными и в химической связи не участвуют.

Для описания химической связи в веществе необходимо знать распределение электронной плотности атомов. В зависимости от характера распределения электронной плотности в веществе различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Таблица 3.2. Сравнение видов химической связи.

Ионная связь — это электростатическое взаимодействие между ионами с зарядами противоположного знака. Ионная связь образуется в результате значительного переноса электронной плотности от одного атома к другому. Такой тип связи возможен только между атомами, которые резко отличаются по свойствам (типичные металлы с низким потенциалом ионизации соединяются с типичными неметаллами с большим сродством к электрону).

Ионная связь в отличие от ковалентной характеризуется ненаправленностью и ненасыщенностью связи. Обладая силовым полем, каждый ион может притягивать к себе ионы противоположного знака в любом направлении. Данные свойства обуславливают склонность ионных молекул к соединению их друг с другом. Энергетически наиболее выгодно, когда каждый электрон окружен максимальным числом ионов противоположного знака. Однако, из-за отталкивания одноименных ионов друг от друга устойчивость системы достигается лишь при определенной взаимной координации ионов. В обычных условиях ионные соединения имеют кристаллическую решетку, в которой каждый ион окружен несколькими ионами противоположного знака, где все связи равноценны, так что весь кристалл можно рассматривать как единую молекулу.

В качестве примеров можно привести MgS, NaCl, которые при обычных условиях являются твердыми веществами, имеют высокие температуры плавления и кипения, их расплавы или растворы проводят электрический ток.

Металлическая связь. Большинство металлов обладают рядом свойств, имеющих общий характер, и отличающийся от свойств других простых или сложных веществ. Это высокие температуры плавления, способность к отражению света, высокая тепло и электропроводность. Эти особенности обязаны существованию в металлах особого вида связи — металлической связи. Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, которые слабо связаны со своими ядрами и могут легко отрываться от них. В результате этого в кристаллической решетке металла появляются положительные ионы и свободные электроны. Поэтому в кристаллической решетке металлов существует большая свобода перемещения электронов. В этом состоит важное отличие металлических связей от ковалентных, которые имеют строгую направленность в пространстве.

В случае металлов нельзя говорить о направленности связей, так как валентные электроны распределены по кристаллу почти равномерно. Этим объясняется пластичность металлов, т. е. возможность смещения ионов и атомов в любом направлении без нарушения связи.

В результате эксперимента было установлено, что образование химической связи возможно только при противоположных спинах электронов, образующих неразрывную общую пару. Такая химическая связь (двухэлектронная двухцентровая) получила название ковалентной.

Ковалентная связь — связь, образованная парой электронов с противоположно направленными спинами.

Она может образоваться двумя способами: по обменному механизму и донорно-акцепторному (см. далее).

В зависимости от характера распределения электронной плотности молекулы могут быть полярными и неполярными. Если в молекуле каждое электронное облако, образованное общей парой электронов, распределяется в пространстве симметрично относительно ядер обоих атомов, то такая связь называется неполярной (H2, Cl2, O2, N2). Если же соединение состоит из атомов различных элементов и общее электронное облако смещено в сторону одного из атомов, то такая связь считается полярной (NH3, CH4). В полярных молекулах общее электронное облако смещается к более электроотрицательному атому, и в тем большей степени, чем больше различаются электроотрицательности взаимодействующих атомов.

Полярность молекул оказывает заметное влияние на свойства образуемых ими веществ. Взаимное притяжение полярных молекул и упрочнение связи между ними указывает на то, что вещества, образованные такими молекулами, имеют более высокие температуры плавления и кипения. Жидкости, состоящие из полярных молекул, способствуют электростатической диссоциации растворенных в них веществ.

Следует отметить, что изо всех известных типов химической связи наибольшее внимание заслуживает ковалентная связь, которая в зависимости от способа перекрывания атомных орбиталей (АО) может образовывать (сигма), (пи) и (дельта) — связи.

В качестве первого примера рассмотрим образование молекулы водорода Н2 в виде схемы (1):

Размеще…

Такая деформация электронных облаков требует затраты энергии, однако эти затраты компенсируются образованием более прочных химических связей. Тип гибридизации определяется числом атомных орбиталей участвующих в химической связи.

В гибридизации может принимать участие разное число АО разного типа. Обычно от 2 до 6. Рассмотрим наиболее типичные случаи.

sp-гибридизация имеет место при участии двух орбиталей: одной sи одной ратомных орбиталей. При этом в соответствии с условиями гибридизации должны образоваться две равноценные и симметрично расположенные в пространстве, как это представлено на рис. 7, sp-гибридные орбитали.

Рассмотрим образование гидрида бериллия ВеН2. В нормальном состоянии атом бериллия (схема 8) не содержит неспаренных электронов, оба его валентных 2s-электрона спарены и не могут участвовать в образовании сразу двух ковалентных связей. Для этого требуется переход атома Ве в возбуждённое состояние (схема 9).

sp2-гибридизация имеет место при участии трёх орбиталей: одной sи двух р-орбиталей. При этом образуются три равноценные и симметричные sp2 — гибридные орбитали, которые располагаются в одной плоскости с валентными углами 120є (рис. 3.4.).

Для удобства в качестве примера рассмотрим соединение бора в виде ВН3. Поскольку в нормальном состоянии атом бора содержит только один неспаренный электрон вместо необходимых трёх, то необходимо перевести атом бора в возбуждённое состояние (схема 10).

Исходя из представленной схемы (10), делается вывод, что при образовании молекул типа ВХ3 имеет место sp2-гибридизация, поэтому они будут иметь форму правильного треугольника (рис. 3.5.) и все связи В-Х будут равноценны. При sp3-гибридизации требуется участие одной sи трёх р-орбиталей. В этом случае образуются четыре одинаковых sp3-ГО. Поскольку три р-орбитали располагаются в пространстве, то и расположение ГО будет пространственным, направленным в силу симметрии к вершинам соответствующей правильной объёмной фигуры — тетраэдра.

Такой тип гибридизации имеет место, например, в возбуждённом атоме углерода при образовании молекулы метана СН4, имеющей тетраэдрическую конфигурацию (рис. 3.6.).

У элементов третьего и более высоких периодов в гибридизации способны участвовать и d-орбитали. Наиболее типичными являются sp3d2 — гибридизация, реже sp2d и sp3d, предполагается существование и более экзотических случаев гибридизации.

Строение комплексных ионов по методу валентных связей (ВС).

Теория ВС объясняет образования комплексов с помощью донорноакцепторного взаимодействия комплексообразователя и лигандов.

Рассмотрим октаэдрическое строение комплексного иона [Cr (H2O)6]3+, который образовался в результате донорно-акцепторного взаимодействия комплексообразователя Cr3+ с лигандами H2O. Для объяснения состава комплекса [Cr (H2O)6]3+ воспользуемся методом валентных связей.

Это значит, что ион Cr3+, имея шесть свободных орбиталей, может присоединить по донорно-акцепторному механизму 6 молекул воды, каждая из которых имеет неподеленную (несвязанную) электронную пару. Все шесть ковалентных связей Cr — H2O равноценны.

Октаэдрическое строение этого иона определяется sp3d2 — гибридизацией орбиталей комплексообразователя хрома.

Подобные комплексы образуются также при взаимодействии иона Cr3+ с фторид — ионом Fили гидроксид-ионом OH-: [CrF6]3-; [Cr (OH)6]3-.