Установлено, что любая химическая связь имеет электрическую природу. Это значит, что при ее образовании самую важную роль играют силы взаимодействия между электрическими зарядами, носителями которых являются отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ядра атомов.
Суть взаимодействия состоит в отталкивании одноименно заряженных частиц (ядро-ядро, электрон-электрон) и
Рисунок 4.1 – Силы межатомного взаимодействия: отталкивание между электронными оболочками и между ядрами атомов; притяжение между ядром одного атома и электронной оболочкой другого и наоборот
притяжении разноименно заряженных (ядро-электрон). Понятно, что система будет устойчивой, если силы притяжения преобладают над силами отталкивания (рис. 4.1).
При образовании молекулы из изолированных атомов увеличение сил притяжения сопровождается выделением энергии, вследствие чего общая энергия системы уменьшается.
Значит, причиной образования связи является стремление изолированных атомов к уменьшению энергии, которая достигается при их объединении в устойчивую систему. А устойчивость системы обеспечивается возникновением в межъядерном пространстве области повышенной плотности отрицательного электрического заряда, притягивающей к себе положительно заряженные ядра атомов.
Рисунок 4.2 – Возникновение в межъядерном пространстве области повышенной электронной плотности при образовании связи Н–Н в молекуле Н2
При образовании химической связи важнейшую функцию выполняют электроны внешнего слоя (валентные электроны), которые удерживаются ядром наименее прочно. В теории химической связи известно предложенное Льюисом правило октета:
наиболее стабильными и энергетически выгодными являются такие внешние электронные слои атомов, на которых находятся два (в случае ближайшего к ядру энергетического уровня) или восемь электронов.
Согласно правилу октета при образовании молекул атомы стремятся приобрести электронную конфигурацию инертных газов – двухэлектронную структуру (электронный дублет) в случае элементов, расположенных в начале периодической системы, или восьмиэлектронную (электронный октет) – для элементов, имеющих более удаленные от ядра электронные слои. Поэтому при соединении атомов электронные оболочки претерпевают перегруппировку: полную передачу одного или нескольких электронов от одного атома к другому или частичное смещение валентных электронов одного атома в направлении другого (рис. 4.3).
Химическая связь образуется в результате перекрывания электронных облаков и возникновения в межъядерном пространстве общего (связывающего) электронного облака – области повышенной плотности электрического заряда.
Рисунок 4.3 – Образование электронного дублета и электронного октета
В зависимости от распределения электронной плотности относительно ядер соединяющихся атомов различают основные типы химической связи:
ковалентная, при которой общее электронное облако размещается между ядрами соседних атомов;
ионная, при которой общее электронное облако практически смещается в сторону одного из атомов;
металлическая, если общее многоэлектронное облако принадлежит одновременно всем атомам, отдавшим для его образования по одному или несколько электронов.
Отдельно рассматривают водородную связь, для которой характерны свои специфические особенности.
При образовании химической связи энергия выделяется, а при ее разрыве – поглощается. Энергия E0, необходимая для того, чтобы разъединить атомы, называется энергией связи.
Энергия связи E0 – это количество энергии, которую необходимо затратить для разрыва связи, или количество энергии, которая выделяется при ее образовании.
Единицей измерения энергии связи является [кДж/моль], или [эВ].
Чем выше энергия химической связи, тем прочнее связь. Прочность связи обычно уменьшается с увеличением ее длины.
Длина связи – это межъядерное расстояние между ядрами химически связанных атомов. Длину связи измеряют в нанометрах (1нм = 10–9м).
С увеличением радиусов атомов, между которыми возникает связь, возрастает ее длина. Но длина связи всегда меньше суммы радиусов двух химически соединенных атомов, потому что при образовании связи происходит перекрывание электронных облаков. Например, в молекуле Н2, образованной из двух атомов Н, радиусы которых равны 0,053 нм, длина связи не равна сумме двух атомных радиусов (0,53·2 = 0,106 нм), а составляет 0,074 нм (рис. 4.4).
Рисунок 4.4 – Длина связи в молекуле Н2
Ключевые слова и термины
Русский
Украинский
Английский
Французский
Арабский
длина связи
довжина зв’язку
bond distance, bond length
longueur de liaison
????? ?????
межъядерный
міжядерний
internuclear
internucl?aire
??? ?????
отталкивание
відштовхування
repulsion
r?pulsion
????
перекрывание
перекривання
overshoot
chevauche
?????
притяжение
Притягання
attraction
attraction
??????
удаленный
віддалений
the farthest, the most distant
a distance
????
электронная оболочка
електрона оболонка
electron envelope, electron sheath, electron shell
enveloppe ?lectronique
???? ????????
электронное облако
електрона хмара
electron cloud
nuage d’?lectrons
????? ???????
энергия связи
енергія зв’язку
bond(ing) energy
?nergie de liaison
????? ??????
Контрольные вопросы
Как изменяется общая энергия системы при образовании молекулы из изолированных атомов?
Сформулируйте правило октета. Приведите примеры.
Какая электронная конфигурация внешнего слоя атома называется электронным дублетом, а какая – электронным октетом?
На какие типы и по каким признакам подразделяется химическая связь?
Что называется энергией связи? В каких единицах она измеряется?
Что называется длиной связи? В каких единицах она измеряется?
Что происходит с электронными облаками атомов при образовании химической связи?
Как соотносится длина связи и радиусы химически связанных атомов?
Задания для самостоятельной работы
Предложенные задания имеют по четыре варианта ответов, из которых правильных может быть несколько.
К какому типу относится химическая связь, образованная за счет обобществления пары электронов двумя атомами:
а) сумма двух радиусов соединенных атомов; б) размер молекулы; в) межъядерное расстояние между химически связанными атомами; г) длина молекулы, поделенная на количество атомов, образующих связь?
