Химическая связь
Когда изучают строение молекулы, возникает вопрос о природе сил, обеспечивающих связь между нейтральными атомами, входящими в состав молекулы. Такие связи между атомами в молекуле называют химической связью. Выделяют два типа химических связей:
- ионная связь,
- ковалентная связь.
Это деление в известной мере условно. В большинстве случаев связь имеет характерные черты обоих типов связей. Только детальные теоретические и эмпирические исследования дают возможность установить в каждом случае соотношение между степенью «ионности» и «ковалентности» связи.
Эмпирически доказано, что для разъединения молекул на составные части (атомы) следует выполнить работу. Значит, процесс образования молекулы должен быть сопровожден выделением энергии. Так, 2 атома водорода, пребывающие в свободном состоянии имеют большую энергию, чем те же атомы в двухатомной молекуле $H_2.$ Энергия, выделяемая при образовании молекулы, служит мерой работы сил взаимодействия, которые связывают атомы в молекулу.
Опыты показали, что силы взаимодействия между атомами появляются благодаря внешним валентным электронам атомов. Об этом говорит резкое изменение оптического спектра атомов вступающих в химические реакции при сохранении без изменения рентгеновского характеристического спектра атомов не зависимо от рода химического соединения. Мы помним, что линейчатые оптические спектры определены состоянием валентных электронов, тогда как характеристическое рентгеновское излучение определяют внутренние электроны (их состояния). Понятно, что в химических взаимодействиях должны участвовать электроны, для изменения которых требуется относительно небольшая энергия. Такими электронами являются внешние электроны атомов. Их потенциал ионизации существенно меньше, чем у электронов внутренних оболочек.
Ионная связь
Самым простым предположением о природе химической связи атомов в молекуле является гипотеза о том, что между вешними электронами появляются силы взаимодействия электрической природы. При этом обязательным условием устойчивости молекулы в таком случае будет существование у двух атомов, которые взаимодействуют, электрических зарядов противоположного знака. Данный тип химической связи реализуется только в части молекул. При этом атомы, вступающие во взаимодействие, превращаются в ионы. Один из атомов присоединяет к себе один или несколько электронов и становится отрицательным ионом, при этом другой атом, отдавший электроны становится положительным ионом.
Ионная связь аналогична силам притяжения между зарядами противоположных знаков. Так, например, положительно заряженный ион натрия (${Na}^+$) притягивается к отрицательно заряженному иону хлора (${Cl}^-$), при этом образуется молекула NaCl.
Ионную связь называют еще гетерополярной (гетеро - разный). Молекулы, в которых реализуется ионный тип связи, называют ионными или гетерополярными молекулами.
При помощи одной ионной связи не удается объяснить структуры всех молекул. Так, невозможно понять, почему образуют молекулу два нейтральных атома водорода. Из-за одинаковости атомов водорода нельзя считать, что один ион водорода несет положительный заряд, а другой отрицательный. Связь, подобная связи в молекуле водорода (между нейтральными атомами) объяснима только в рамках квантовой механики. Она называется ковалентной связью.
Ковалентная связь
Химическую связь, которая осуществляется между электрически нейтральными атомами в молекуле, называют ковалентной или гомеополярной связью (гомео - одинаковый). Молекулы, которые образованы на основе такой связи, называют гомеополярными или атомными молекулами.
В классической физике известен один тип взаимодействия, которое реализуется между нейтральными телами -- это гравитация. Но гравитационные силы слишком слабые для того, чтобы с их помощью можно было объяснить взаимодействие в гомеополярной молекуле.
Физическая сущность ковалентной связи заключается в следующем. Электрон в поле ядра пребывает в определенном квантовом состоянии с определенной энергией. При изменении расстояния между ядрами корректируется и состояние движения электрона, и его энергия. Если расстояние между атомами уменьшается, то энергия взаимодействия, между ядрами увеличивается, так как между ними действуют силы отталкивания. Но, если энергия электрона с уменьшением расстояния уменьшается быстрее, чем растет энергия взаимодействия ядер, то совокупная энергия системы при этом становится меньше. Значит, в системе, которая составлена из двух отталкивающихся ядер и электрона действуют силы, которые стремятся уменьшить расстояние между ядрами (действуют силы притяжения). Эти силы и порождают ковалентную связь в молекуле. Они появляются из-за наличия общего электрона, то есть благодаря электронному обмену между атомами, и, значит, являются обменными квантовыми силами.
Ковалентная связь имеет свойство насыщения. Это свойство проявляется через определенную валентность атомов. Так, атом водорода может связываться с одним атомом водорода, атом углерода может быть связан с не более чем четырьмя атомами водорода.
Данная связь дает возможность объяснить валентность атомов, которая не получила в рамках классической физики исчерпывающего объяснения. Так, свойство насыщения непонятно с точки зрения природы взаимодействия в классической теории.
Ковалентная связь может наблюдаться не только в двухатомных молекулах. Она характерна для большого количества молекул неорганических соединений (окись азота, аммиак, метан и др.).
Количественная теория ковалентной связи была создана для молекулы водорода в 1927 г. В. Гайтлером и Ф Лондоном на основании понятий квантовой механики. Было показано, что причиной, которая вызывает создание молекулы с ковалентной связью, является кванотовомеханический эффект, который связан с неразличимостью электронов. Основная энергия связи определена обменным интегралом. Молекула водорода имеет суммарный спин равный нулю, она не имеет орбитального момента и в связи с этим должна быть диамагнитна. При столкновении двух атомов водорода молекула возникает только при условии, что спины обоих электронов антипараллельны. При параллельных спинах атомы водорода молекулы не образуют, так как отталкиваются.
Если ковалентная связь соединяет два одинаковых атома, то расположение электронного облака в молекуле является симметричным. Если ковалентная связь соединяет два разных атома, то расположение электронного облака в молекуле является асимметричным. Молекула, обладающая асимметричным распределением электронного облака, имеет постоянный дипольный момент и, значит, является полярной. В предельном случае, когда вероятность локализации электрона около одного из атомов превалирует над вероятностью нахождения этого электрона около другого атома, ковалентная связь переходит в ионную связь. Непреодолимой границы между ионной и ковалентной связью нет.
Задание: Опишите, что может произойти при сближении двух атомов.
Решение:
Если уменьшать расстояние между атомами, то возможна реализация трех ситуаций:
- Одна пара электронов (или более) становятся общими для рассматриваемых атомов. Эти электроны перемещаются между атомами и проводят там времени больше, чем в других местах. Это создает силы притяжения.
- Возникает ионная связь. При этом один (или более) электронов одного атома могут перейти к другому. Таким образом, появляются положительный и отрицательный ионы, который притягивают друг друга.
- Не возникает связи. Электронные структуры двух атомов перекрываются и составляют единую систему. В соответствии с принципом Паули два электрона в такой системе не могут находиться в одном квантовом состоянии. Если некоторые из электронов вынуждены были перейти на более высокие энергоуровни, чем те, которые они занимали в отдельных атомах, то система будет иметь большую энергию и будет нестабильной. Даже, если удовлетворить принцип Паули, без увеличения энергии системы, то появляется электрическая сила отталкивания между разными электронами, но данный фактор оказывает гораздо меньшее влияние на создание связи, чем принцип Паули.
Задание: Энергией ионизации (потенциалом ионизации) элемента называют энергию, которая необходима для удаления электрона из одного его атома. Она служит мерой того насколько тесно связаны внешний электрон или электроны. Объясните, почему энергия ионизации лития больше, чем натрия, натрия больше, чем калия, калия больше, чем рубидия.
Решение:
Перечисленные элементы являются щелочными металлами и относятся к первой группе. Атом любого из этих элементов имеет единственный внешний электрон в s -- состоянии. Электроны внутренних оболочек частично экранируют внешний электрон от ядерного заряда $(+Zq_e$), как следствие эффективный заряд, который удерживает внешний электрон, оказывается равен ${+q}_e$. Для удаления из такого атома внешнего электрона необходимо совершить относительно небольшую работу, при этом атомы щелочных металлов превращаются в положительные ионы. Чем больше атом, тем больше расстояние валентного электрона от ядра, тем меньше сила, с которой ядро его притягивает. Поэтому энергия ионизации убывает в данной группе элементов сверху вниз (имеется в виду периодическая система элементов). Рост энергии ионизации в каждом периоде слева направо связано с увеличением заряда ядра, при постоянстве количества внутренних экранирующих электронов.
