Модуль №2 Электростатические представления в теориях химической связи

Комплексная цель

Приобрести навыки: а) в описании химической связи, образующейся между атомами, резко отличающимися по своей электоотрицательности; б) в прогнозировании структуры твёрдых фаз с преимущественно ионным характером связи; в) в прогнозировании физических, физико-химических и химических свойств веществ на основе теории поляризации; г)в описании физико-химических свойств молекулярных веществ на основе представлений о межмлекулярном взаимодействии.

Содержание

Атомно-молекулярная теория, получившая всеобщее признание в начале XIX века, предопределила постановку вопроса о природе сил, объединяющих первоначально изолированные атомы в многоатомные системы (молекулы, кристаллы и т.д.). С термодинамической точки зрения любой процесс ассоциации атомов должен сопровождаться уменьшением внутренней энергии системы (при v = const, p = const, Т = const) или энтальпии (при р = const и Т = const), так как изменение энтропии данных процессов отрицательно. Другими словами между взаимодействующими частицами должны возникать силы притяжения, приводящие к понижению энергии образующейся системы. Таким образом, химическая связь есть результат взаимодействия двух или большего числа атомов, обуславливающего образование химически устойчивой многоатомной системы за счет возникновения между атомами сил притяжения.

2.1. Теория электрохимического дуализма

Первой попыткой объяснения природы химической связи, основанной на атомно-молекулярном учении, можно считать теорию электрохимического дуализма, предложенную в начале XIX века Дэви и Берцелиусом. Ее созданию способствовало открытие закона Кулона, появление гальванических элементов, данные по исследованию электропроводности растворов, изучение электрохимических процессов и т.д. Согласно данной теории все атомы представляют собой диполи, с преобладанием отрицательного или положительного заряда на одном из полю­сов. Первые (О, S, Сl и т.д.) были названы электроотрицательными, вторые (Мg, Са, К и т.д.) - электроположительными. При взаимодействии атомы сначала ориентируются, а затем притягиваются друг к другу противоположно заряженными полюсами:

Mg + O MgO

При этом происходит частичная нейтрализация заряда, что является причиной выделения энергии при химических реакциях. Согласно данной теории, в бинарных соединениях частицы сохраняют избыток заряда того или иного знака, в зависимости от величины электроотрицательности образующих их томов. Так МgО сохраняет избыток положительного заряда, а СО₂ - отрицательного, что способствует образованию более сложных соединений.

MgO + CO₂ ® MgCO₃

В реакциях же замещения более электроположительный атом вытесняет менее электроположительный из соединения, что увеличивает энергию кулоновского притяжения во вновь образованном сложном соединении.

CuSO₄ + Fe ® FeSO₄ + Cu

На первом этапе теория электрохимического дуализма позволила объяснить протекание различных типов химических реакций и провести классификацию неорганических соединений. Однако по мере накопления экспериментальных данных она сталкивалась всё с большими и большими трудностями. Так, например, данная теория не могла объяснить образование многоатомных молекул простых веществ и протекание ряда реакций замещения, когда менее электроотрицательный атом замещается на более электроотрицательный:

CH₄ + 4Cl₂ ® CCl₄ + 4HCl

Непонятным оказалось и образование комплексных соединений из электронейтральных, согласно Берцелиусу, солей.