Химическая связь. 
Строение атома и химическая связь

Общие положения

Молекулы химических веществ представляют собой сложную систему, построенную из атомных ядер и электронов. Атомы в молекуле удерживаются преимущественно силами электростатического характера. В этом случае говорят, что они связаны химической связью. Химическая связь осуществляется sи p-электронами внешнего энергетического уровня и d-электронами предвнешнего слоя. Химическая связь имеет следующие параметры:

• 1. Длина связи — это межъядерное расстояние между двумя химически связанными атомами.
• 2. Валентный угол — угол между воображаемыми линиями, проходящими через центры химически связанных атомов.
• 3. Энергия связи — количество энергии, которое затрачивается на ее разрыв.
• 4. Кратность связи — число электронных пар, посредством которых осуществляется химическая связь между атомами.

Атом в молекуле — понятие условное, т. к. его энергетическое и электронное состояние в корне отличается от изолированного атома.

Рассмотрим, какие силы возникают между частицами в простейшей системе, состоящей из двух протонов и одного электрона: простейший случай образования химической связи в ионе водорода Н2+ (см. рисунок 2). Если мы будем сближать два протона, то между ними возникнут силы отталкивания, и устойчивая система не получится. Поместим в их поле один электрон. Здесь могут возникнуть два случая: а) электрон находится между протонами; б) электрон располагается за одним из них. В обоих случаях возникают силы притяжения.

Рис. 2 Распределение сил взаимодействия между ядрами и электроном в Н2+

Однако в первом случае проекции этих сил на ось, проходящую через центры протонов, направлены в противоположные стороны с силами отталкивания (см. рисунок 2а) и могут их компенсировать. При этом возникает энергетически устойчивая система. Во втором случае составляющие сил притяжения направлены в разные стороны (см. рисунок 2б) и уравновешивание сил отталкивания между протонами отсутствует. Отсюда следует, что для возникновения химической связи с образованием молекулы или иона электроны должны находиться преимущественно в межъядерном пространстве. Эта область называется связывающей, т. к. при нахождении там электронов образуется химическая связь. Область, находящаяся за ядрами, называется разрыхляющей, т. к. при попадании в нее электронов химическая связь не образуется.

Если применить аналогичные рассуждения к молекуле водорода Н2, можно прийти к выводу, что система еще более стабилизируется при появлении второго электрона в связывающей области. Таким образом, для образования устойчивой химической связи необходима хотя бы одна электронная пара. Спины электронов в этом случае должны быть направлены в разные стороны, то есть, антипараллельны. При образовании химической связи должно происходить понижением полной энергии системы.

Рассмотрим изменение потенциальной энергии системы на примере сближения двух атомов водорода. Когда атомы находятся на очень большом расстоянии друг от друга, они не взаимодействуют и энергия такой системы близка к нулю. По мере их сближения возникают силы притяжения между электроном одного атома и ядром другого и наоборот. Эти силы увеличиваются обратно пропорционально квадрату расстояния между атомами. Энергия системы понижается. По мере сближения атомов начинают все большую роль играть силы отталкивания между их ядрами и между электронами. Увеличение сил отталкивания обратно пропорционально уже шестой степени расстояния. Кривая потенциальной энергии проходит через минимум, а затем резко уходит вверх (рисунок 3).

Расстояние, которое соответствует положению минимума на кривой, является равновесным межъядерным расстоянием и определяет длину химической связи. Так как атомы в молекуле участвуют в колебательном движении относительно положения равновесия, расстояние между ними постоянно меняется, т. е. атомы не жестко связаны друг с другом.

Равновесное расстояние при данной температуре соответствует некоторому усредненному значению.

С повышением температуры амплитуда колебаний увеличивается. При некоторой, достаточно большой, температуре атомы могут разлететься на бесконечно большое расстояние друг от друга, и тогда химическая связь разорвется. Глубина минимума по оси энергии определяет энергию химической связи, а величина этой энергии, взятая с обратным знаком, будет равна энергии диссоциации данной двухатомной частицы. Если сближаются атомы водорода, электроны которых имеют параллельные спины, между атомами будут возникать только силы отталкивания, и потенциальная энергия такой системы будет возрастать (рис.3).

В образовании химической связи участвуют s-, pи d-электроны, которые имеют различную геометрическую конфигурацию электронных облаков, а также — различные знаки волновых функций в пространстве. Для возникновения химической связи необходимо перекрывание тех частей электронных оболочек, которые имеют одинаковые знаки волновой функции. В противном случае — химическая связь не образуется. Это утверждение легко объяснить на примере наложения двух синусоид, которые в первом приближении можно отождествить с волновыми функциями (см. рисунок 4).

В случае наложения двух синусоид с разными знаками в одной и той же области (рисунок 4а) суммарная составляющая их будет равна нулю — химическая связь не образуется. В противоположном случае происходит сложение амплитуд колебаний и образуется новая синусоида, что говорит об образовании химической связи (рисунок 4 б).

В зависимости от симметрии электронных облаков, в результате перекрывания которых образуется химическая связь, возникают три вида химической связи: ?-, ?- и ?-связи.

?-связь осуществляется при перекрывании облаков вдоль линии, соединяющей центры атомов, при этом максимальная электронная плотность находится в межъядерном пространстве.

В образовании ?-связи в силу своей шаровой симметрии принимают участие s-электроны (рисунок 5). Они могут образовать ?-связь за счет перекрывания с электронными облаками другого атома: s-, рХ-, d (x2-y2)-облаками. С электронами, которые находятся на pYили pZ-орбиталях, образование химической связи невозможно, так как перекрывание происходит в тех областях, где электронная плотность имеет противоположные знаки.

?-связь может образоваться также в случае перекрывания и других типов электронных облаков, например, двух pX — или pX — и d (x2-y2)-облаков.

Рис. 5. Некоторые примеры образования ?-связей

? -связь возникает при перекрывании электронных облаков над и под линией, соединяющей центры атомов. Суммарные электронные облака также симметрично располагаются относительно этой линии. В силу своего пространственного расположения ?-связь могут образовывать только электроны на таких парах орбиталей как pY — pY; pZ — pZ или pY — dXY (рис. 6).

Рис. 6. Примеры ?- и? -связей.

?-связь могут образовывать только d-электроны за счет перекрывания всех четырех своих лепестков электронных облаков, расположенных в параллельных плоскостях. Такое возможно, когда в образовании связи участвуют dXY — dXY; dXZ — dXZ или dYZ — dYZ-электроны.

Мы рассмотрели классификацию химических связей, исходя из симметрии электронных облаков. Существует и другой подход к классификации химической связи, основанный на характере распределения электронной плотности между атомами в молекуле. В этом случае возможны три варианта:

• 1) Электронная пара связывает в молекуле два одинаковых атома, поэтому она в равной степени принадлежит обоим атомам. Центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Такая связь называется ковалентной неполярной.
• 2) Электронная пара связывает два различных атома, поэтому она смещена в сторону более электроотрицательного атома. Центры тяжести положительного и отрицательного зарядов не совпадают, такая связь становится полярной и называется ковалентной полярной связью.
• 3) Происходит полная передача электронной пары во владение одного из атомов. Это происходит при взаимодействии двух атомов, которые резко отличаются по электроотрицательности (по способности удерживать электронную пару в своем электрическом поле).

Атом, отдавший электроны, становится положительно заряженным ионом, а атом, принявший электроны — отрицательным ионом.

В этом случае связь носит название ионной связи.

Характер химической связи во многом определяет физико-химические свойства веществ.

Вещества, молекулы которых характеризуются ковалентной неполярной связью, в твердом состоянии образуют молекулярные и атомные кристаллические решетки.