Глава 18. Природа хімічного зв'язку

18.1. Вступ

Сукупність двох або більшої кількості атомів утворюють молекули. Вони складаються з декілька атомних ядер, оточених електронними хмарами. Молекули утворюються під дією сил хімічного зв’язку між атомами. Сили виникають, головним чином, за рахунок електричної взаємодії зовнішніх валентних електронів, що підтверджується такими фактами:

1) кореляцією між електронною конфігурацією зовнішніх електронних оболонок атомів і їхніми хімічними властивостями;

2) незалежністю характеристичних рентгенівських спектрів від різновиду сполуки, у якій знаходиться елемент;

3) суттєвими змінами оптичних спектрів при утворені з атомів молекул.

Розрізняють декілька типів хімічного зв’язку між атомами.

• іонний (гетерополярний) (енергії(25)×10² кДжмоль^-1 або 25еВ при розрахунку на один атом);

• ковалентний³⁸ (гомеополярний) (енергії(25)×10²кДжмоль^-1 25еВ);

• Ван-дер-Ваальсовий або дипольний (енергії 0,11 кДжмоль^-1 0,0010,01еВ);

• радикальний;

• водневий зв'язок (енергії 1050 кДжмоль^-10,10,5еВ).

У природі здебільшого існують змішані форми зв’язку, проте досить часто один із різновидів молекулярного зв’язку може переважати над іншими, що полегшує його вивчення.

18.2. Іонний зв’язок

Рис.18.1. Іонний зв’язок молекули NaCl.

Іонний або гетерополярний зв’язок утворюється кулонівським притяжінням між протилежно зарядженими іонами, що входять до складу сполук, наприклад, між та ^- (рис.18.1). Найбільш імовірно іони утворюються з атомів із не заповненими зовнішніми електронними оболонками. Ці атоми втрачають або захоплюють електрони. Внаслідок обміну електронами в іонах формуються заповнені симетричні електронні оболонки з нульовим кутовим моментом, подібні до заповнених електронних оболонок атомів інертних газів . Необхідна для виходу електрона з атома енергія називається енергією іонізації а для приєднання електрона – енергією електронного споріднення . Іонний зв’язок виникає тоді, коли енергія, що витрачається під час обміну електронами, менша за енергію кулонівського притяжіння протилежно заряджених іонів . Наприклад, при утворенні молекули атом стає іоном , витрачаючи на іонізацію енергію 5,1еВ, а атом , стаючи іоном , збільшує свою енергію на величину електронної спорідненості -3,7еВ. Втрата енергії компенсується кулонівською енергією притяжіння іонів і , яка дорівнює . Утворюється стійка молекула , бо при цьому має місце значний виграш в енергії . Нових ідей для розуміння природи цього зв’язку не потрібно. Необхідно лише враховувати, що на малих відстанях між іонами крім кулонівського притяжіння існує відштовхування між ядрами. Боротьба притяжіння та відштовхування призводить до появи рівноважної структури з мінімумом потенціальної енергії при (рис.18.2), тобто до утворення стабільної молекули з іонним зв’язком. Для молекули відстань, що визначається із величини _, становить , що досить вірогідно. Повна енергія системи іонів, що входять до складу молекули, менше повної енергії атомів, з яких складається молекула. Енергія зв’язку на рис 18.2 визначається глибиною екстремуму потенціальної енергії .

Рис.18.2. Енергія взаємодії двох іонів.

18.3. Ковалентний зв’язок

Ковалентний зв’язок - це типово квантомеханічне явище, що не має класичного аналога. Воно виникає, коли відстань між частинками (електронами) стає сумірною з довжиною хвилі де Бройля, тобто коли перекриваються їх хвильові функції.

Рис.18.3. Схема розподілу зарядів у молекулі водню.

Розглянемо приклад найпростішої молекули , миттєве положення електронів і протонів якої наведено на рис.18.3. Запишемо потенціальну енергію її двох електронів:

, (18.1)

де - сума енергій взаємодії електрона 1 з ядром , електрона 2 з ядром , електронів 1 і 2 і ядер і між собою відповідно:

. (18.2)

Маса електронів значно менша маси ядер , тому можна знехтувати рухом ядер у зрівнянні з рухом електронів, тобто розглядати адіабатичне наближення. У адіабатичному наближенні між’ядерна відстань стає параметром, зміна якого дозволяє прослідкувати за станом електронів при об’єднанні атомів у молекулу. Скористаємось основним рівнянням для стаціонарних станів:

, (18.3)

де , а .