14 Химическая связь и строение молекул
После изучения строения атома следующим этапом в изучении строения вещества стало исследование природы химической связи. Так как основным принципом самопроизвольного протекания процессов в природе является «принцип энергетического минимума», поэтому необходимым условием образования химической связи является уменьшение энергии системы при переходе от отдельных атомов к молекуле.
14.1 Химическая связь
14.1.1 Квантово-механическое описание модели молекулы водорода
В 1927 г. Гайтлер и Лондон выполнили квантово-механический расчет изменения энергии при сближении двух атомов водорода, в зависимости от расстояния между атомами. Результаты приведены на рисунках 14.1и 14.2.
|
|
Рисунок 14.1 – Энергетическая диаграмма образования молекулы водорода из атомов водорода: 1 – экспериментальные данные, 2, 3 – расчетные данные; 1, 2 – противоположные спины, 3 – параллельные спины. |
Из рисунка 14.1 видно, что по мере сближения атомов с параллельными спинами (кривая 3) энергия системы резко возрастает, то есть химическая связь не образуется. Если спины атомов антипараллельны (противоположны по знаку), то с уменьшением расстояния между атомами энергия системы вначале уменьшается (участок a – b), проходя через некий минимум (точка b), а затем увеличивается (участок b – c). Следовательно, образование химической связи возможно, если спины атомов антипараллельны.
Рисунок 14.2 – Геометрическая модель молекулы водорода
Из рисунка 14.2 видно, что расстояние между центрами атомов в молекуле меньше суммы радиусов двух атомов, т.е. происходит взаимное перекрывание электронных облаков. Область перекрытия имеет избыточный отрицательный заряд и электростатически взаимодействует с ядрами обоих атомов, что обеспечивает между ними химическую связь.
Расчет энергии системы из трех атомов водорода не приводит к уменьшению энергии, т.е. химическая связь является двухэлектронной и имеет электрическую природу.
На основании полученных данных был предложен механизм образования химической связи, называемый «метод валентных связей».
1 Химическая связь является двухэлектронной. Электроны, участвующие в образовании химической связи, имеют противоположные спины и образуют общую электронную пару.
2 Различают обменный и донорно-акцепторный механизмы образования химической связи:
а) обменный – химическая связь образуется в результате перекрывания пары орбиталей, на каждой из которых было по одному электрону с противоположными спинами. Например, образование молекул водорода и хлороводорода:
б) донорно-акцепторный – химическая связь образуется в результате перекрывания пары орбиталей, на одной из которых имелась электронная пара, а на второй – свободная орбиталь без электронов. Атом, предоставивший орбиталь с электронной парой, называют донором, а атом, предоставивший свободную орбиталь, – акцептором. Например, взаимодействие аммиака с ионом водорода с образованием катиона аммония:
По способу перекрывания электронных облаков различают σ- и π- связи:
1) σ-связь образуется за счёт перекрывания электронных облаков по прямой линии, соединяющей центры взаимодействующих атомов;
2) π -связь образуется за счёт перекрывания электронных облаков выше и ниже линии, соединяющей центры взаимодействующих атомов. Она образуется в основном при перекрывании р-орбиталей. π-связь является значительно менее прочной, чем σ-связь.
Количество химических связей определяется валентностями элементов. Валентность элемента равна числу орбиталей, принимающих участие в образовании химических связей.