Глава 3. Химическая связь и строение молекул

3.1. Развитие теории химической связи

центральная проблема современной химии – учение о химической связи. Знание природы взаимодействия атомов в веществе позволяет понять причины многообразия химических соединений строения и механизм их образования.

Одновременно с развитием теории строения атомов развивалась и теория химической связи. В 1800 году Бертолле выдвинул гравитационную теорию, согласно которой химические силы возникают за счет взаимодействия масс, т.е. в результате гравитационного взаимодействия. И хотя эти силы нельзя отрицать, они не являются причиной химического взаимодействия, роль их ничтожно мала по сравнению с другими силами, приводящими к химическому взаимодействию.

В 1812 году шведским ученым Берцелиусом была предложена электрохимическая теория химической связи, согласно которой все атомы обладают положительным и отрицательным полюсами, причем у одних атомов преобладает положительный полюс, а у других – отрицательный. Атомы, у которых преобладают противоположные полюсы, притягиваются друг к другу. К электроположительным были отнесены атомы металлов, электроотрицательными являлись атомы неметаллов. Однако электрохимическая теория противоречила ряду фактов. Так, например, оставалось необъяснимым образование молекул, состоящих из одинаковых атомов (Н₂,О₂,Cl₂и др.), которые обладали одноименными зарядами. По этой причине теория Берцелиуса перестала пользоваться признанием. Большой вклад в науку химической связи внес выдающий русский химик А.М. Бутлеров. В 1861 году он выдвинул теорию химического строения молекул. Основные положения этой теории сводятся к тому, что все атомы в молекуле соединены друг с другом в определенной последовательности, что валентность атомов стремится к насыщению и определяется числом химических связей, что свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от их химического строения. Бутлеров предложил метод изображения молекул – структурные формулы - и показал, что атомы в молекуле могут влиять друг на друга. Теория А.М. Бутлерова получила дальнейшее подтверждение и развитие и является одним из фундаментальных законов современной химии. Однако в его теории не была вскрыта природа химической связи.

С открытием электрона и созданием в дальнейшем планетарной модели строения атома, а также теории, разработанной Нильсом Бором, возникают новые теории химической связи. Первое электронное представление о химической связи появилось в 1916 году, которое было предложено американским физико - химиком Льюисом. Он высказал предположение о том, что химическая связь имеет электрическую природу и возникает путем образования электронной пары, одновременно принадлежащей двум атомам. Эту связь назвали ковалентной.

В том же 1916 году немецкий ученый Коссель предположил, что при взаимодействии двух атомов один из них отдает, а другой принимает электроны, при этом первый атом превращается в положительно заряженный, а второй - в отрицательно заряженный ионы. Химическая связь осуществляется за счет электростатического притяжения ионов. На основе идей Косселя сформировались представления об ионнойсвязи.

В соответствии с современными представлениями о строении атома можно говорить лишь о вероятности нахождения электронов в поле атомных ядер. Данному пространственному положению атомных ядер отвечает определенное распределение электронной плотности. Выяснить, как распределяется электронная плотность по сути дела и означает описать химическую связь в веществе, но для этого, как известно, необходимо точное решение уравнения Шредингера, что пока осуществимо только для иона водорода (Н₂⁺), состоящего из двух протонов и одного электрона, а также для водородоподобных частиц(He₂⁺, Li₂⁺). Для систем с двумя и большим числом электронов приходится применять приближенные решения.

Точность приближенных расчетов оценивается мерой их совпадения с экспериментально полученными сведениями о строении вещества и его свойствах.