АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Химическая связь
Учебное пособие
Под редакцией профессора Рябухина Ю.И.
Астрахань
2010
УДК 546
ББК
Р98
Химическая связь: Учебное пособие / Рябухин Ю. И., Бурлинов А.А. / Под редакцией доктора хим. наук Рябухина Ю.И. – Астрахань: Астрахан. гос. техн. ун-т, 2010. – 40 с.
Предназначено для студентов инженерно-технических нехимических специальностей.
Соответствует Государственным образовательным стандартам высшего профессионального образования
Ил.: 15 рис., табл.: 1,библиография: назв., прилож.
Печатается по решению кафедры «Общая, неорганическая и аналитическая химия» (протокол № от 2010 г.)
Рецензент: канд. хим. наук, доцент Лебедева А.П.
© Рябухин Ю.И., 2010
© АГТУ, 2010
ВВЕДЕНИЕ
В природе химические элементы в виде свободных атомов (за исключением благородных газов – элементов VIIIА-группы) практически не встречаются. Обычно атомы элемента взаимодействуют либо друг с другом, либо с атомами других элементов. Они образуют химические связи, с возникновением соответственно простых или сложных веществ. В то же время и молекулы вещества взаимодействуют друг с другом.
Учение о химической связи составляет основу всей теоретической химии.
Химическая связь1– это совокупность сил, связывающих атомы или молекулы друг с другом в более устойчивые структуры – молекулы или кристаллы.
Образование молекул и кристаллов обусловлено главным образом кулоновским притяжением между электронами и атомными ядрами.
Природа химической связи была уяснена лишь после открытия законов квантово-волновой механики, управляющих микромиром. Современная теория отвечает на вопросы, почему возникает химическая связь и какова природа сил, обусловливающих её.
Образование химических связей — процесс самопроизвольный, в противном случае не существовало бы ни простых, ни сложных веществ. С термодинамической точки зрения причиной образования химической связи между частицами (атомами или молекулами) является уменьшение энергии системы.
Образование химической связи сопровождается выделением энергии, а разрыв химической связи требует затраты энергии.
Характеристиками химической связи является энергия и длина связи.
Энергия химической связи — это количество энергии, выделяющейся в процессе образования химической связи и характеризующей её прочность; энергию связи выражают в кДж на 1 моль образовавшегося вещества (Есв, кДж/моль).2
Чем больше энергия химической связи, тем связь прочнее. Энергию химической связи оценивают, сравнивая с состоянием, предшествующим образованию связи (для двухатомных молекул). Для трёх- и многоатомных молекул с одинаковым типом связи рассчитывают среднюю энергию связи (например, для Н2 О и СН4).
Средняя энергия связи в молекуле определяется делением энергии образования молекулы на число связей.
Длиной химической связи называют расстояние между ядрами атомов в молекуле.
Длина связи обусловлена размерами реагирующих атомов и степенью перекрывания их электронных облаков.
Например: для фтороводорода и иодоводорода:
LHF < LHI
В зависимости от типа соединяемых частиц различают внутримолекулярные связи, за счёт которых образуются молекулы, и межмолекулярные связи, приводящие к образованию ассоциатов из молекул или к связыванию отдельных групп в молекуле. Эти виды связей резко отличаются по величине энергии: для внутримолекулярных связей энергия составляет 100–1000 кДж/моль1, а для межмолекулярных связей обычно не превышает 40 кДж/моль.
Рассмотрим образование внутримолекулярной химической связи на примере взаимодействия атомов водорода.
При сближении двух атомов водорода между их внешними электронами с антипараллельными спинами происходит сильное обменное взаимодействие, приводящее к появлению общей электронной пары. При этом увеличивается электронная плотность в межъядерном пространстве, что способствует притяжению ядер, взаимодействующих атомов. В результате энергия системы уменьшается и система становится более устойчивой - между атомами возникает химическая связь (рис.1).
Рис. 1 «Механизм образования химической связи между атомами водорода»
Система имеет минимум энергии при определенном расстоянии между ядрами атомов; при дальнейшем сближении атомов энергия начинает увеличиваться вследствие возрастания сил отталкивания между ядрами.
В зависимости от того, каким образом взаимодействует общая электронная пара с ядрами соединяемых атомов, различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую ,а также водородную связь.