§ 5 Природа из условия образования химической связи

Лишь немногие химические элементы (благородные газы) в обычных условиях находятся в состоянии одноатомного газа. Атомы остальных элементов, наоборот, в индивидуальном виде не существуют, так как могут взаимодействовать между собой или с атомами других элементов, образуя при этом более или менее сложные частицы. Среди частиц, обра­зуемых совокупностью атомов, обычно выделяют молекулы, молекуляр­ные ионы и свободные радикалы. Взаимодействие между атомами осуществляется по причине химической связи: она обусловлена тем, что между атомами действуют электростатические силы, т.е. силы взаимодействия электри­ческих зарядов, носителями которых являются электроны и ядра атомов.

Доказано, что в образовании химической связи между атомами главную роль играют электроны, расположенные на внешней оболочке и, следовательно, связанные с ядром наименее прочно, так называемые ва­лентные электроны. Именно поэтому строение валентной электронной конфигурации атомов является определяющим фактором при рассмотре­нии условий образования химической связи.

Согласно теории химической связи, наибольшей устойчивостью обла­дают внешние оболочки из двух или восьми электронов (электронные группировки благородных газов). Это и служит причиной того, что бла­городные газы при обычных условиях не вступают в химические реакции с другими элементами. Атомы же, имеющие на внешней оболочке менее восьми (или иногда двух) электронов, стремятся приобрести структуру благородных газов. Такая закономерность позволила сформулировать по­ложение, которое является основным при рассмотрении условий образо­вания молекулы: при образовании молекулы атомы стремятся приобре­сти устойчивую восьмиэлектронную (октет) или двухэлектронную (дублет) оболочки.

Образование устойчивой электронной конфигурации может происхо­дить несколькими способами и приводить к молекулам (и веществам) различного строения, поэтому различают несколько типов химической связи. Таковы ионная, ковалентная и металлическая связи. Отнесение химической связи в конкретной частице к определенному типу не всегда является простой задачей. Для ее решения приходится учитывать целую совокупность химических и физических свойств. Любая химическая связь образуется только тогда, когда сближе­ние двух (или большего числа) атомов приводит к понижению полной энергии системы (суммы кинетической и потенциальной энергий). Проиллюстрируем это утверждение на примере образования простейшей молекулы, состоящей из двух атомов.

Определяющими факторами являются межъядерное расстояние r и энергия взаимодействия атомов Е. На рисунке 8 показано изменение энергии в системе из двух постепенно сближающихся атомов.

Рисунок 8 – Энергия взаимодействия двух атомов в зависимости от межъядерного расстояния.

Вначале атомы разделены большим расстоянием и энергия их взаимо­действия близка к нулю (область 1). При сближении атомов между ними возникает слабое ван-дер-ваальсово взаимодействие (область 2). Когда межъядерное расстояние становится сравнимо с размерами электронных оболочек атомов (область 3), между атомами появляется два конкури­рующих вида взаимодействия. Во-первых, притяжение, действующее между ядрами одного и электронами другого атома. Во-вторых, отталкивание, действующее между одноименно заряженными ядрами и электронами обоих атомов. Вначале превалирует притяжение и энергия продолжает уменьшаться вплоть до образования стабильной молекулы при r = r_е. Минимум на кривой, глубина которого равна De, показывает тот выигрыш в энергии, которым сопровождается объединение изолирован­ных атомов в молекулу. При дальнейшем сближении атомов (область 4) начинают превалировать силы отталкивания, резко возрастающие на ко­ротких расстояниях. Таким образом, из рисунка 8 следует, что молекулы типа А₂ могут быть количественно охарактеризованы указанием равно­весного межъядерного расстояния re и энергии связи (энергии диссоциа­ции) De. Для молекул типа АВ, состоящих из разных атомов, необходимо знать полярность связи, которая характеризуется электрическим момен­том диполя (см. ниже).

Решение вопроса о природе химической связи стало возможным только на базе квантовой механики, основы которой отмечены в предыдущей главе.

Молекула представляет собой устойчивую электронейтральную систему, состоящую из взаимодействующих электронов и нескольких ядер и способную к самостоятельному существованию. Устойчивость молекулы означает прежде всего то, что для ее разделения на атомы требуется затрата энергии.

Молекулы — это мельчайшие частицы вещества, на которые его мож­но разделить без потери химической индивидуальности, т.е. способности к определенным химическим превращениям. Например, водяной пар, во­ду или лед можно разделить на отдельные молекулы воды, каждая из которых представляет собой объединенные в единую прочную систему атом кислорода и два атома водорода. Атом кислорода образует две химические связи по одной с каждым из атомов водорода.

В отличие от молекул, молекулярные ионы — многоатомные частицы, несущие электрический заряд, сами по себе не могут образовывать какое-либо вещество, так как между ними действуют силы электростатического отталкивания. Поэтому, например, существует ион аммония NH₄⁺, но не существует вещества аммония. Электростатическое отталкивание может быть скомпенсировано лишь одновременным присутствием эквивалентного числа отрицательно заряженных ионов, скажем, ионов . Вместе с ионами ионы образуют вещество — хлорид аммония.

В некоторых случаях молекулы или молекулярные ионы могут объе­диняться в более сложные образования, сохраняя основные черты своего строения и способность выделяться в неизменном виде при определенных изменениях условий. Например, аммиак реагирует с ионами серебра, да­вая частицы Аg(NН₃)₂⁺ Эти частицы в определенных условиях распада­ются на исходный ион Ад⁺и молекулы аммиака. Такие образования в хи­мии называются комплексами. Типы комплексов разнообразны. Они играют исключительную роль в биологических системах.

Рассмотрим основные типы химической связи.