Коваленттік байланыс

Н₂, О₂, N₂, және т.б. қосылыстар, сонымен қатар алмаз типті атомдық кристалдардың байланысын иондық және ван-дер-ваальс байланыстары арқылы түсіндіру мүмкін емес. Біртекті атомдар валенттік электрондардың алмасуы нәтижесінде қарама-қарсы зарядталған иондарға айналмайды, металдар мен галойдтардың өзара әсерлесуі де сол сияқты. Екінші жағынан Н₂, О₂, N₂, ... молекулалары арасындағы байланыстың беріктігі Ван-дер-Ваальс күштері әсерінен болатын байланыстан да күштірек. Бұл байланыс коваленттік байланыс деп аталады.

1.5 –сурет

Осы күштердің табиғатын түсіну үшін сутегі молекуласын мысал ретінде аламыз. Бір-бірінен жеткілікті дәрежеде қашықтықта сутегінің екі атомы орналассын: ядро мен 1-ші электроннан тұратын атомы және ядро мен 2-ші электроннан тұратын атомы (1.5-сурет). Атомдағы электронның күйін сипаттайтын электрондық бұлтшаның тығыздығы ара қашықтыққа байланысты өте тез кемиді, 1-ші электронды ядродан, ал 2-ші электронды ядродан табу ықтималдығы өте аз. Есептеулер, болғанда әрбір электронның бөгде атомда орташа алғанда жылда бір-ақ рет болатынын көрсетті. Сондықтан, А және В атомдарды оңашаланған атомдар деп алуға болады және жүйенің энергиясы тең. Мұндағы -оңашаланған атомның қалыпты күйдегі энергиясы.

Атомдар жақындаған сайын электрондардың бөгде ядроға ауысу ықтималдылығы арта түседі. болғанда бұл атомдардың электрондық бұлтшалары бірін-бірі күштірек жабады және ауысу жиілігі шамамен алғанда дейін өседі. Ары қарай жақындағанда электрондық бұлтшалардың бір-бірін жабуы арта береді, кейбір жерлерде электрондардың өзара ауысу жиілігінің артқаны соншалық, 1-ші электронның А атомға, ал 2-ші электронның В атомға тиісті екендігі туралы айтудың ешқандай мағынасы болмайды. Бұл жаңа күйдің пайда болғанын көрсетеді, оңашаланған атомдардағы электрондар енді бір мезгілде екі атомға да тиісті немесе басқаша айтқанда біріккен.

Электрондардың бірігуі электрондық тығыздық және жүйе энергиясы өзгерісін тудырады. 1.6-суретте 1-ші үзік сызықпен оңашаланған атомдардағы электрондық бұлтшалардың тығыздығы, ал 2-ші жіңішке сызықпен оңашаланған атомдардың электрондық бұлтшаларын қарапайым қосқан кездегі қорытқы тығыздық, ал 3-ші қою сызықпен ядро мен ядро қосылған кездегі ось бойындағы тығыздықтың таралуы көрсетілген.

Cуреттен электрондар біріккенде электрондық бұлтшалардың ядролар арасындағы кеңістікке қарай тартылатыны көрініп тұр: ядродан алыс емес қашықтықтағы кеңістік бұлтшасының тығыздығы оңашаланған атомдағы тығыздыққа қарағанда азаяды, ал осы кезде ядролар арасындағы кеңістікте ол қорытқы тығыздыққа қарағанда артады. Қорытқы тығыздықты осы кеңістікте оңашаланған атомдар тығыздығын қосып алуға болар еді.

1.6 – сурет

Ядро аралық кеңістіктегі электрондық бұлтша тығыздығы жоғары күйдің пайда болуы әрқашан да жүйе энергиясының кемуіне және бұл атомдар арасында тартылыс күштерінің пайда болуына алып келеді. Басқаша сөзбен айтқанда, біріккен атомдар жұптарынан тұратын ядро аралық кеңістіктегі электрондық бұлтша ядроларды өзіне тартып, оларды бір-біріне максимал жақындатуға тырысады. Бұл коваленттік байланыстың пайда болуын көрсетеді.

Сутегі молекуласын ең алғаш рет сандық түрде есептеген 1927 жылы Гейтлер мен Лондон болды. Бұл есептеулер екі жақын орналасқан сутегі атомынан тұратын жүйенің энергиясы спиндерінің бағытына байланысты екі мәнге ие болуы мүмкін екендігін көрсетті:

(1.11)

Спиндері қарама-қарсы бағытталса осындай, ал параллель бағытталса мына түрде болады:

(1.12)

Мұндағы 2Е₀ - екі оңашаланған сутегі атомының қорытқы энергиясы,

К – электрондардың ядролармен, электрондардың бір-бірімен және

1.7 – сурет

ядролардың бір-бірімен өзара әсерлесулерінің электростатикалық энергиялары. Оны сонымен бірге, Кулон энергиясы деп те атайды, таңбасы теріс. А – атомдардың электрондармен алмасқан кезде пайда болған өзара алмасу энергиясы. Бұл атомдардың электрондық тығыздықтарының қайтадан таралып молекула құрылған кезде пайда болатын қосымша энергия; оның таңбасы теріс, абсолют шамасы жағынан К-дан көп үлкен К (|А | > | К |); S — неортогональ интеграл деп аталады, оның шамасы мына аралықта жатады: 0≤S≤1.

энергиясы бар күй - симметриялы, ал энергиясы бар күй- антисимметриялы. К мен А теріс таңбалы, ал болғандықтан, симметриялы күй пайда болғанда жүйе энергиясы екі оңашаланған атомдар энергиясына қарағанда кемиді:

(1.13)

Бұл тартылыстың пайда болуына сәйкес келеді. Соның салдарынан алмасу энергиясының абсолют шамасы А кулондық энергия К-дан жеткілікті дәрежеде көп болады, жүйенің энергиясының кемуі негізінен А есебінен болады. Сондықтан, атомдар арасында пайда болатын тартылыс күшін алмасу күші немесе алмасу энергиясы деп атайды. Сол себепті, болса, яғни антисимметриялы күй пайда болғанда жүйе энергиясы артады. Бұл тебіліс күшінің пайда болуына алып келеді.

1.7 –суретте пен -дің шамасына тәуелділігі кескінделген, мұндағы - атомдардың ара қашықтығы, - бірінші Бор орбитасының радиусы. Энергияның нөлдік деңгейін -ден бастап алу келісілген. Суреттен көрініп тұрғандай, антисимметриялы күйде жүйенің энергиясы атомдар жақындай бастағанда үзіліссіз түрде өседі, ол атомдардың бірін-бірі тебуіне сәйкес келеді (1 -қисық). Сондықтан, бұл күйде сутегі молекуласы түзіле алмайды. Симметриялы күйде кеміген сайын, жүйе энергиясы да алғашында кемиді және болғанда өзінің минималь мәніне жетеді. Ары қарай кеміген сайын энергия арта бастайды да, күшті тебіліс күштері пайда болады. Потенциалық энергия қисығында минимумның бар болуы орнықты жүйенің мүмкіндігін, яғни сутегі молекуласының пайда болуын көрсетеді. Бұл жүйені бұзу үшін потенциалық шұңқырдың тереңдігі -ке тең жұмыс жасау қажет.

4. кесте

Газ		Кристалл
Көміртек окисі	10,8	Алмаз	6,8
Азот	9,5	Кремний	4,4
Оттегі	5,0	Германий	3,5
Сутек	4,4

Теориялық есептеулер арқылы алынған және мәндері: , ; Осы шамалардың тәжірибе жолымен алынған мәндері: , . Теориялық және тәжірибелік мәндер бір-бірімен сәйкес келеді.

1.4 – кестеде кейбір коваленттік байланыстар - H₂, N₂, О₂, СО молекулаларының, сонымен бірге алмаз, кремний және германий кристалдарының байланыс энергиялары берілген (байланыс коваленттік күштермен іске асады).

1.4 – кестедегі мәндерден коваленттік байланыстың өте күшті екендігі көрініп тұр: байланыс энергиясы -ге дейін жетеді. Коваленттік байланыстың басқа байланыс түрлерінен сипаттамалық ерекшеліктері – қанығушылық және бағытталғандық болып табылады.

Қанығушылық, яғни әрбір атом тек өзімен көршілес белгілі бір атомдармен ғана коваленттік байланыс құра алады деген сөз.

Сутегінің әрбір атомы тек қана өзімен көршілес бір ғана атоммен байланыс жасай алады. Осы байланыс түзетін атомдар жұбының спиндері антипараллель және бір кванттық ұяшықта орналасады. Бұл жағдайда үшінші атом тартылмайды, тебіледі.

Валенттік электрон орналасқан электрондық бұлтшаның тығыздау бөлігіне сәйкес келетін бағытта валенттік байланыс пайда болады. Бұл кезде байланысқан электрондар бұлтшаларының максималь жабылуы болады. Ол валенттік байланыстың бағыттаушы сипаты бар екенін көрсетеді.