В начале 1916 года Г.Н. Льюис выразил идею, которая заключалась в том, что ковалентная химическая связь создается между 2 атомами в молекуле, за счет образования общей пары электронов, таким образом электронная плотность распределяется равномерно между обоими атомами. Такое утверждение противоречило существующей теории, ведь, в то время ученые считали, что при образовании молекулы, один из атомов имел положительный, а другой отрицательный заряды и поэтому химическая связь образовывался за счет электростатического взаимодействия между атомами.
Теория Г. Н. Льюиса
Предложенная Г. Н. Льюисом теория, известна сегодняшним студентам под названием «Электронная теория химической связи». Дальнейшее развитие предложено в теориях выдающихся ученых, таких как нобелевский лауреат Ленгмюр, который описал химическую валентность, как способность атомов образовывать химические связи. В дальнейшем, ученые Вальтер Генрих Гейтлер и Фриц Вольфганг Лондон разработали квантово-механический метод (названный методом Гейтлера - Лондон), чем было положено начало квантовой химии.
Рисунок 1. Квантово-механические основы теории химической связи. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Была создана квантово-механическая теория химической связи, которая легла в основу общей теории валентности и квантово химического метода валентных связей. Параллельно с электронной теорией валентности Льюиса развивалась теория гетерополярной (ионной) химической связи предложенная Вальтером Косселем. По выражению Косселя, инертные газы «образец, подражания которого обусловливает сильную химическую активность ряда элементов». По мнению ученого, внешняя электронная оболочка атома более устойчива, если в ней есть 8 электронов. При этом реакционная способность атома определяется его общим стремлением приобрести подобную конфигурацию (правило октета, октетная теория). Это было эмпирическое предположение, оно не базировалось на каких расчетах, однако, в то время достаточно удобно объясняло большое количество химических явлений. К примеру, отсутствие химических реакций в инертных газов, склонность атомов щелочных металлов отдавать один электрон, а галогенов - присоединять один электрон и т.д.
Теория Косселя и Льюиса - Ленгмюра
Следует отметить, что разработки Косселя и Льюиса - Ленгмюра позволили достаточно удачно объяснить, как именно образуются химические связи между атомами в органических и неорганических соединениях. После того, как в 1962 году канадский химик Нил Бартлед получил первое соединение ксенона, теория «октета» Косселя устарела, однако теория Льюиса, благодаря своей простоте и наглядности широко используется до сих пор.
Создание электронной теории химической связи является примером сотрудничества ученых, историей становления научных открытий, их доведение и опровержения, а также значение простых, доступных каждому высказыванию для понимания чрезвычайно сложной химической картины мира. И по сей день студенты, изучая теорию химической связи, отдают должное научному гению Г.Н. Льюиса, который выразил смысл понятия химической связи чрезвычайно просто и грациозно - химическая связь представляет собой просто пару электронов, которые удерживают вместе два атома.
Типы химической связи:
- полная;
- ковалентная;
- водородная;
- металлическая.
-
Создание квантово-механической теории химической связи
Создано два способа описания химической связи: первый - метод молекулярных орбиталей; второй - метод валентных связей.
Последний основан на данных Лондона и Гейтлера. Этот метод базируется на основных положениях:
- Каждая пара атомов в молекуле содержится вместе при помощи общих электронных пар, которые находятся на валентных орбиталях.
- Общая электронная пара была устойчива из-за того, что электроны имеют направленные противоположно спины.
- При образовании связи идет перекрывание электронных облаков, что ведет к росту электронной плотности между атомами, а также уменьшение общей энергии системы.
- Образуется связь в направлении, при котором возможно максимальное перекрывание электронных облаков.
В подобном методе валентность рассматривается как общая возможность атома образовывать различные химические связи с иными атомами. Валентность зависит от общего числа неспаренных электронов, которые расположены на валентных орбиталях атома.
Водород имеет один неспаренный электрон на $1s$-энергетическом подуровне, а значит, одновалентен. Гелий имеет на $1s$-энергетическом подуровне два спаренных электрона, а значит, не вступает в химические реакции и, при этом имеет нулевую валентность.
Методы валентных связей лежит в положении о том, что ковалентная химическая связь появляется в результате взаимодействия 2 электронов с направленными противоположно спинами, причем в самом начале эти электроны принадлежат различным атомам, а общая образовавшаяся электронная пара – обоим атомам. Подобный механизм образования ковалентной связи носит название обменного механизма.
Возбуждение электронов в химических реакциях происходит в пределах энергетического уровня и не меняет главное квантовое число.
Получаемые при процессе возбуждения электроны стали равноправными с точки зрения энергии образуемых связей, они переходят на гибридный подуровень, где сами переходы носят название гибридизация, а все образующиеся электронные облака, соответствующие им химические связи и валентности называются – гибридными.
Универсальным квантово-механическим методом описания химической связи стал метод МО, он развит в трудах Леннарда-Джонса, Хунда и Малликена.
В теории молекула - это единое целое, где каждый электрон принадлежит к целой молекуле и движется в поле ее электронов и ядер. В атоме любому электрону соответствует атомная орбиталь, при этом в молекуле находится каждый электрон на своей молекулярной орбитали, характеризуемой отдельным набором квантовых чисел. Стоит выделить, что молекулярные орбитали, в отличие от атомных, могут являться многоцентровыми, т.к. они охватывают два ядра.
