Химическая связь и строение молекул.

При взаимодействии атомов между ними возникает химическая связь, приводящая к образованию новых веществ. В зависимости от того, какие атомы образуют связь, различают несколько типов химической связи: ионная, ковалентная и металлическая, а также водородная. Рассмотрим их по порядку. Ионная связь образуется между атомами, сильно отличающимися по электроотрицательности (между металлами и неметаллами). Что такое электроотрицательность? Это способность атома данного элемента отттягивать на себя общую электронную пару. Связи ионного типа осуществляются в результате взаимного электростатического притяжения противоположно заряженных ионов (катионов и анионов). К типичным соединениям с ионной связью относятся галогениды щелочных металлов. Следует отметить, что полного образования ионов не происходит. В результате оттягивания электронной плотности на атом с большей электроотрицательностью, на нем возникает так называемый эффективный отрицательный заряд, меньший, чем степень окисления. В то же время, эффективный положительный заряд на катионе металла, равен ему по величине, но положителен.

Поскольку электростатические силы действуют одинаково во всех направлениях, ионная связь является ненаправленной. Взаимодействие двух ионов не может полностью привести к полной нейтрализации их зарядов. Это ведет к тому, что у всех ионов остается возможность электростатически взаимодействовать с другими ионами противоположного знака. Таким образом, у ионной связи отсутствует насыщаемость. Вследствие этого, каждый ион окружен максимально геометрически возможным числом ионов противоположного знака.

Рассмотрим теперь ковалентную связь. Она делится на неполярную и полярную. Неполярную ковалентную связь образуют атомы с одинаковой электроотрицательностью (чаще всего одинаковые атомы). Например, в молекулах О₂, Н₂ и т.д. Полярную ковалентную связь образуют атомы, немного отличающиеся по электроотрицательности, например, в молекулах HCl, SO₂, H₂O и других (то есть между двумя неметаллами).

Все эти понятия составляют основу метода валентных связей, основные положения которого рассматриваются еще в школьном курсе химии.

В соответсвии с методом валентных связей существует два механизма образования ковалентной связи: обменный и донорно-акцепторный. Первый реализуется, если оба из взаимодействующих атомов имеют по неспаренному электрону, которые при образовании связи образуют общую электронную пару (аммиак). По второму механизму один из атомов (донор) предоставляет неподеленную электронную пару, а второй (акцептор) свободную орбиталь (катион аммония). Следует отметить, что независимо от механизма образования уже образованные связи равноценны (по закону постоянства состава – каждое вещество независимо от способа его получения имеет постоянный качественный и количественный состав).

В рамках метода валентных связей объясняется переменная валентность: углерод, хлор (примеры). Ковалентная связь обладает определенной направленностью. Если перекрывание электронных облаков происходит вдоль линии, соединяющей ядра, то образующаяся связь называется s-связью. При взаимодействии электронных облаков, ориентированных перпендикулярно линии, соединяющей ядра, образуются две области перекрывания, и образуется p-связь.

Если в образовании связи участвуют разные типы орбиталей, то образуются смешанные равноценные электронные орбитали, которые называются гибридными, а сам процесс, при этом протекающий, называется гибридизацией (sp- и другие).

Метод валентных связей объясняет только возникновение обычных двухцентровых двух электронных связей. Рассмотрим анион СО₃^2-. В нем наблюдается делокализация электронной пары между четырьмя атомами карбонат-аниона. Аналогичная делокализация электронов наблюдается в молекуле бензола.

Делокализацию электронов между несколькими атомами, а также другие, более сложные механизмы образования связей объясняет метод молекулярных орбиталей. В основе метода лежит предположение, что состояние электрона в молекуле описывается соответствующей волновой функцией, которая складывается как линейная комбинация волновых функций атомных орбиталей.

y = С₁y₁ ± С₂y₂ ±...

Коэффициенты нужны потому, что волновая функция электрона в атоме изменяется при взаимодействии атомов. Таким образом, складывание волновых функций увеличивает квадрат волновой функции и отвечает образованию связи, а при вычитании химическая связь не возникает. Графически процесс образования молекулы обычно представляется следующим образом (пример).

Связывающие и разрыхляющие электроны и орбитали.

Кратность связи – равна разности числа электронов на связывающих орбиталях минус число электронов на разрыхляющих орбиталях, деленной на два: k = [n_св – n_разр]/2. Чем выше кратность связи, тем прочнее молекула. Примеры.

Существует также третий тип связи, присутствующей в металлах и сплавах. Это металлическая связь. Рассмотрим ее подробнее. Металлы отличаются от других веществ высокой электро- и теплопроводностью. Кроме того, в кристалле металла каждый атом окружен большим числом таких же атомов. Образование такого количества обычных ковалентных связей невозможно. По современным представлениям электроны в кристалле металла свободно перемещаются по всему кристаллу. Это связано с невысокой первой энергией ионизации (отрыва одного электрона от атома) металлов. Таким образом, небольшое количество электронов одновременно связывают большое число атомов. В металлах имеет место сильно делокализованная химическая связь. Именно поэтому все металлы хорошо проводят тепло и электрический ток.

Водородная связь. При соединении атома водорода с атомом сильно электроотрицательным элементом (фтор, кислород, азот и другие) он отдает ему свой электрон и у атома водорода появляется свободная (вакантная) орбиталь, которую могут занять два электрона (неподеленная электронная пара) соседнего атома с большой электроотрицательностью. Например, у фтора, кроме общей пары с атомом водорода, есть еще три неподеленные электронные пары, одна из которых может занять вакантную орбиталь у атома водорода. При этом образуется связь, называемая водородной. Это приводит к тому, что плавиковая кислота имеет температуру кипения намного выше, чем у соляной, бромоводородной или даже иодоводородной кислоты. Следствием образования водородной связи является и аномально высокая температура плавления воды, а также тот факт, что лед легче воды (объяснить). Таким образом, сам факт сохранения жизни на земле в ледниковый период стал возможен благодаря слабеньким водородным связям. Энергия водородной связи приблизительно в 10 раз меньше, чем энергия обычной химической связи. Кроме того, именно водородные связи обуславливают закручивание в двойную спираль молекул нуклеиновых кислот, в частности, ДНК.

Лекция 5.