2. Строение твердого тела

2.1. Химическая связь в молекулах

Квантово-механическое уравнение Шрёдингера, описывающее характер движения электрона в атоме, дает возможность объяснить природу химических связей, возникающих между атомами в молекуле.

П ри сближении атомов происходит взаимное перекрытие их электронных оболочек и между атомами возникают силы электростатического взаимодействия. Важной характеристикой взаимодействия является изменение потенциальной энергии сближающихся атомов.

Изменение потенциальной энергии в зависимости от расстояния между ядрами при образовании молекулы водорода из двух нейтральных атомов представлено на рис. 2.1. При сближении удаленных друг от друга атомов вплоть до некоторого расстояния R₀ потенциальная энергия уменьшается. Это уменьшение потенциальной энергии связано с преобладанием сил электростатического притяжения над силами отталкивания.

Происхождение сил электростатического притяжения у двух нейтральных атомов объясняется тем, что перекрытие электронных оболочек сближающихся атомов водорода приводит к обобществлению электронов для обоих ядер. Этот эффект носит название обменного взаимодействия. В зависимости от ориентации спинов обобществленных электронов взаимодействие может приводить к образованию либо сил притяжения, либо сил отталкивания. Если спины параллельны, то возникает отталкивание и молекула не образуется. При антипараллельных спинах возникают силы притяжения.

Химическая связь, осуществляемая обобществленными электронами, называется ковалентной. Обобществленные электроны чаще всего находятся в области перекрытия, поскольку там на них действуют силы притяжения обоих ядер, что приводит к уменьшению энергии электронов.

В образовании химической связи участвуют только электроны самой внешней оболочки, или валентные электроны, а поскольку все атомы стремятся иметь устойчивую (или полностью заполненную) оболочку (как у инертных газов), то количество пар обобществленных электронов соответствует валентности электронов. Например, у кислорода валентность равна двум, до устойчивой оболочки ему не хватает двух электронов, поэтому при образовании молекулы кислорода О₂ возникают две обобществленные электронные пары:

Ковалентные связи обладают свойством направленности. Например, в атоме азота в р-состоянии три электрона при одинаковом орбитальном квантовом числе l = 1 имеют разные магнитные квантовые числа m = –1, 0, 1, а это означает, что их электронные орбиты ориентированы в пространстве по-разному. Эта направленность сохраняется и при образовании химических соединений. Например, в молекуле аммиака NH₃ атомы водорода расположены по отношению к атому азота по трем разным направлениям.

Существует физический эффект, который носит название электроотрицательности атомов. Электроотрицательность характеризует способность атома в молекуле притягивать электроны, участвующие в образовании химической связи.

Если молекула образуется из атомов с одинаковой электроотрицательностью, то центры тяжести положительного и отрицательного зарядов оказываются совмещенными, связь между атомами называется неполярной ковалентной связью. Если же молекулу образуют атомы с разной, но близкой электроотрицательностью, то центры тяжести положительного и отрицательного зарядов разнесены в пространстве, такую связь называют полярной ковалентной. В первом случае обобществленные электроны в равной степени принадлежат обоим атомам, а во втором они оказываются смещенными в сторону одного из атомов. Чем больше электроотрицательность, тем сильнее атом притягивает электроны. Следовательно, электронные пары смещаются в сторону более электроотрицательного элемента. Средняя плотность отрицательного заряда будет выше у более электроотрицательного элемента, и поэтому связь становится полярной. Наибольшей электроотрицательностью обладают фтор и другие галогены, наименьшей – щелочные металлы.

В молекуле, образованной из атомов с сильно различающимися значениями электроотрицательности, электронная пара настолько смещается в сторону более электроотрицательного атома, что ее можно считать принадлежащей этому атому. Такая молекула состоит уже не из нейтральных атомов, а из разноименно заряженных ионов. Примером является молекула поваренной соли NaCl. Химическая связь в таких молекулах называется ионной.