3.3. 6 Прогнозирование свойств элементов по положению в периодической таблице

Так как в периодической таблице в периодах и группах свойства элементов закономерно изменяются, свойства любого элемента близки к среднеарифметическому значениям свойств элементов между которыми расположен анализируемый элемент. Следует отметить, что Д.И. Менделеев обратил внимание на диагональное сходство элементов. Например, Ве и Аl , В и Si и т.д.

Лекция № 15 «Химическая связь, строение молекул и строение вещества»

После изучения и разработки теоретических основ строения атома, следующим этапом в изучении строения вещества стало исследование природы химической связи, так как без этого нельзя было объяснить и спрогнозировать состав и строение молекул – частиц включающих два и более атомов.

1. СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ ВОДОРОДА

В 1927 г. Гайтлер и Лондон выполнили квантово-механический расчет образования молекулы водорода. Результаты этого расчета приведены на рисунках 1 и 2.

Рисунок 2.

Перекрытие электронных облаков в молекуле водорода

Рисунок 1. Изменение энергии молекулы водорода в зависимости от межъядерного расстояния r_A-B:

1 – экспериментальная, 2 – рассчитанная кривые для атомов с антипараллельными спинами; 3 – кривая, рассчитанная для атомов с параллельными спинами

Из рисунка 1 следует, 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, проходя через некий минимум (участок a-b), а затем увеличивается (участок b-c). Следовательно, образование химической связи возможно, если спины атомов антипараллельны.

Из рисунка 2 видно, что расстояние между центрами атомов в молекуле меньше суммы радиусов двух атомов, то есть происходит взаимное перекрытие электронных облаков. Область перекрытия имеет избыточный отрицательный заряд и электростатически притягивается к ядрам атомов, что обеспечивает между ними химическую связь. Расчет энергии системы из трех атомов водорода не приводит к уменьшению энергии, то есть химическая связь является двухэлектронной и имеет электрическую природу. Расчеты Гайтлера и Лондона положили начало квантовомеханическим методам описания химической связи. Наиболее часто применяются метод валентных связей (МВС) и метод молекулярных орбиталей (ММО).

В последующем материале будет применяться только метод валентных связей.

2. Метод валентных связей

Ковалентная химическая связь является двухэлектронной. Электроны, участвующие в образовании химической связи, имеют противоположные спины и образуют общую электронную пару.

Различают обменный и донорно-акцепторный механизмы образования химической связи:

1) Обменный – два атома предоставляют по одному электрону на образование общей электронной пары.

Например, образование молекул во­дорода и хлороводорода: