Химия (стр. 2 )

Химическая связь – это взаимодействие атомов, обусловленное перекрытием электронных облаков связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшением полной энергии системы (молекулы, комплекса, кристалла и т. д.).

К основным чертам химической связи можно отнести:

а) снижение общей энергии двух или многоатомной системы по сравнению с суммарной энергией изолированных частиц;

б) перераспределение электронной плотности в области химической связи по сравнению с простым наложением электронных плотностей несвязанных атомов, сближённых на расстояние связи.

Выяснить, как распределяется электронная плотность, по сути дела, и означает описать химическую связь в веществе, но для этого необходимо точное решение уравнения Э. Шрёдингера, что осуществлено только для ионов H2+. Для других систем применяют приближенные решения.

Химическая связь характеризуется тремя важнейшими параметрами:

1) энергией химической связи;

2) длиной химической связи;

3) направленностью химической связи.

Энергия связи – мера прочности химической связи, количество энергии, выделяющееся при образовании химической связи. Любая химическая связь образуется с выделением энергии, для ее разрыва требуется затратить энергию, равную энергии связи.

Длина химической связи – это расстояние между центрами ядер атомов в молекуле (кристалле или др.), когда силы притяжения между атомами уравновешены силами отталкивания и энергия системы минимальна (т. е. достигнуто некоторое устойчивое состояние).

Здесь нужно понимать один важный принцип: чем длиннее связь, тем она менее прочная и, соответственно, имеет меньшую энергию (т. е. на ее разрыв нужно затратить меньше работы).

Направленность связи показывает, в каком направлении смещается электронная плотность связи. Обычно это происходит от менее электроотрицательного атома к более электроотрицательному.

Группа связей, например, в молекуле может характеризоваться и другими параметрами:

1) углами между связями;

2) дипольным моментом;

3) суммарной энергией всех связей.

Могут вводиться и другие характеристики химической связи для объяснения того или иного явления. Но мы пока остановимся на этих и будем разбираться в них.

Химическая связь обычно изображается черточками, соединяющими взаимодействующие атомы; каждая черта эквивалентна обобщенной паре электронов. В соединениях, содержащих более двух атомов, важной характеристикой является валентный угол, образуемый химическими связями в молекуле и отражающий ее геометрию.

Правило октета. В результате образования химической связи атомы могут приобретать такую электронную конфигурацию, как у благородных газов, которые имеют на внешней оболочке восемь (октет) электронов. Стремление к созданию устойчивой электронной конфигурации получило название правило октета. Это справедливо как для ионной, так и ковалентной связей. 

6.4 Классификация химических связей

Свойства химической связи проявляются в свойствах различных типов молекул, кристаллов и других объединений атомов и молекул. Ранее считалось, что и природа различных видов связи различна. Теперь можно считать, что известные на сегодня виды химической связи едины по своей природе. Поэтому существует возможность единой их классификации.

Варианты классификации химических связей определяются различными характеристиками или способами описания.

В зависимости от расстояния, на котором проявляется химическая связь, ее делят на короткодействующую и дальнедействующую.

Короткодействующая связь проявляется на расстояниях, близких к размерам атомов. Она осуществляется между атомами в молекуле, кристалле в пределах от 74 до 400 нм. Энергия разрыва короткодействующей химической связи находится в пределах от 01.01.01 кДж/моль. Образование большинства известных молекул, существующих в изолированном состоянии, обусловлено наличием короткодействующих связей. Данный вид связи называют также сильной связью.

Дальнодействующая химическая связь проявляется при переходе вещества из газовой фазы в жидкое или твердое состояние. Она возникает между отдельными атомами, молекулами на расстояниях в несколько раз больших, чем длина обычной короткодействующей связи. Прочность же дальнодействующей связи в десятки раз меньше прочности короткодействующей связи. Дальнодействующую связь также называют слабой межмолекулярной связью.

Хотя природа этих двух видов связи одинакова, но отличия имеются. Короткодействующие связи образуются в результате такого взаимодействия, что каждый электрон может быть описан самостоятельной волновой функцией − одноэлектронное приближение. Дальнодействующие же связи являются результатом коллективного движения электронов.

Каждый из видов химической связи может видоизменяться в зависимости от различных признаков.

В зависимости от перераспределения электронной плотности между атомами при образовании химической связи можно выделить связи: неполярную, полярную и сильно полярную. Неполярная и полярная короткодействующие химические связи являются тем видом связи, который хорошо известен как ковалентная химическая связь. Сильно полярная химическая связь представлялась независимой от ковалентной связи и исторически получила название ионной.

В зависимости от степени обобществления электронной плотности химической связи между несколькими атомами различают локализованную и делокализованную химическую связь. Локализованной связью называется такая химическая связь, электронная плотность которой сконцентрирована (локализована) в пределах двух наиболее близко расположенных друг к другу ядер атомов. Если электронная плотность химической связи распределена между тремя и более ядрами, то такая связь называется трехцентровой, многоцентровой, а в общем случае − делокализованной.

Различают также виды связи по их свойству обеспечивать связь только между ограниченным числом атомов. Такие связи называются насыщаемыми. В противном случае говорят о ненасыщаемости химической связи.

Также различают связи направленные и ненаправленные. Направленные химические связи − такие связи, энергия которых сильно зависит от расположения данной связи относительно других связей вокруг выбранного атома. Ненаправленными связями считаются те, которые мало чувствительны к взаимной ориентации связей атома.

Дальнодействующая химическая связь условно может быть разделена на два типа: универсальную межмолекулярную связь и специфическую межмолекулярную связь. Универсальная связь проявляется при взаимодействии между любыми молекулами, а специфическая − между теми, у которых имеются соответствующие друг другу участки. Такие молекулы, которые соответствуют друг другу, как «к каждому замку должен быть свой ключ», называются комплементарными (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 – Схема классификации химических связей

6.5 Основные виды химической связи

6.5.1 Ковалентная химическая связь

Считается, что впервые теорию ковалентной связи сформировал американский химик Джильберт Ньютон Льюис в 1916 г. хотя очень сходные идеи встречались в работах русского ученого (1907). исходил из предположения, что атомы могут достигать состояния электронной завершенности путем образования общих с другими атомами электронных пар. Для образования общей электронной пары каждый из атомов должен представлять по одному неспаренному электрону.

Ковалентная связь является наиболее универсальной, так как ей подчиняется подавляющее большинство веществ как органических, так и неорганических.

Ковалентная связь – наиболее общий вид химической связи, возникающий за счет обобществления электронной пары посредством обменного механизма, когда каждый из взаимодействующих атомов поставляет по одному электрону, или по донорно-акцепторному механизму, если электронная пара передается в общее пользование одним атомом (донором) другому атому (акцептору); либо по дативному механизму, когда оба атома либо обе частицы одновременно выступают в роли и донора, и акцептора электронов.

1) Обменный механизм (обычные связи). Каждый атом дает по одному неспаренному электрону в общую электронную пару:

2) Донорно-акцепторный механизм (донорно-акцепторные связи). Один атом (донор) предоставляет электронную пару, а другой атом (акцептор) предоставляет для этой пары свободную орбиталь:

3) Дативные связи – это такие связи, когда два атома, либо частицы одновременно выступают и в роли донора и в роли акцептора, например:

В димере Al2Cl6: атомы хлора отдают свои неподеленные электронные пары, которыми заселяются вакантные d-орбитали атомов алюминия.

К характеристикам ковалентной связи, как другим видам химической связи, относятся энергия и длина связи. Кроме того, ковалентные частицы могут быть полярными и неполярными.

Неполярная ковалентная связь возникает в том случае, если частица образуется атомами с одинаковой электроотрицательностью (молекулы состоят из атомов одного вида). В этом случае электронная плотность расположена симметрично между атомами: O2, Cl2, N2.

Полярная ковалентная связь возникает в том случае, если частица образована атомами с различными электроотрицательностями (молекулы состоят из различных атомов). В этом случае электронная плотность смещена в сторону одного из атомов: НСl, Н20, NO.

Количественной оценкой полярности связи могут служить эффективные заряды атомов. Эффективный заряд атома характеризует разность между числом электронов, принадлежащих данному атому в химическом соединении, и числом электронов свободного атома. Атом более электроотрицательного элемента притягивает электроны сильнее. Поэтому электроны оказываются ближе к нему, и он получает некоторый отрицательный заряд, который называют и эффективным, а у его партнера появляется такой же положительный заряд. Если электроны, образующие связь между атомами, принадлежат им в равной степени, эффективные заряды равны нулю. В ионных соединениях эффективные заряды должны совпадать с зарядами ионов. А для всех других частиц они имеют промежуточные значения.