«Химическая связь, строение молекул и строение вещества»
После изучения и разработки теоретических основ строения атома, следующим этапом в изучении строения вещества стало исследование природы химической связи, так как без этого нельзя было объяснить и спрогнозировать состав и строение молекул – частиц включающих два и более атомов.
1. СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ ВОДОРОДА
В 1927 г. Гайтлер и Лондон выполнили квантово-механический расчет образования молекулы водорода. Результаты этого расчета приведены на рисунках 1 и 2.
Рисунок
1. Изменение энергии молекулы водорода
в зависимости от межъядерного расстояния
rA-B: 1
– экспериментальная, 2 – рассчитанная
кривые для атомов с антипараллельными
спинами; 3
– кривая, рассчитанная для атомов с
параллельными
спинами Рисунок
2. Перекрытие
электронных облаков в молекуле водорода
Из рисунка 1 следует, что по мере сближения атомов с параллельными спинами (кривая 3) энергия системы резко возрастает, то есть химическая связь не образуется. Если спины атомов антипараллельны (противоположны по знаку), то с уменьшением расстояния между атомами энергия системы вначале уменьшается, проходя через некий минимум (участок a-b), а затем увеличивается (участок b-c). Следовательно, образование химической связи возможно, если спины атомов антипараллельны.
Из рисунка 2 видно, что расстояние между центрами атомов в молекуле меньше суммы радиусов двух атомов, то есть происходит взаимное перекрытие электронных облаков. Область перекрытия имеет избыточный отрицательный заряд и электростатически притягивается к ядрам атомов, что обеспечивает между ними химическую связь. Расчет энергии системы из трех атомов водорода не приводит к уменьшению энергии, то есть химическая связь является двухэлектронной и имеет электрическую природу. Расчеты Гайтлера и Лондона положили начало квантовомеханическим методам описания химической связи. Наиболее часто применяются метод валентных связей (МВС) и метод молекулярных орбиталей (ММО).
В последующем материале будет применяться только метод валентных связей.
2. Метод валентных связей
Химическая связь является двухэлектронной. Электроны, участвующие в образовании химической связи, имеют противоположные спины и образуют общую электронную пару.
Различают обменный и донорно-акцепторный механизмы образования химической связи:
1) Обменный – два атома предоставляют по одному электрону на образование общей электронной пары.
Например, образование молекул Н2 и НСl:
2) Донорно-акцепторный –
донор – предоставляет электронную пару,
акцептор – свободную орбиталь.
Например, взаимодействие NН3 с ионом Н+ с образованием катиона аммония NН4+
По способу перекрывания электронных облаков связи делят на σ-связь и π- связь:
1) σ-связь – перекрывания электронных облаков по прямой линии, соединяющей центры атомов.2) π -связь – выше и ниже данной линии.
σ-связь является более прочной чем π-связь.