7 Химическая связь
Первые попытки объяснить причины образования химической связи предпринимались еще в Х1Х веке‚ однако только на базе работ Косселя и Льюиса в 1916 году зародились фундаментальные гипотезы, которые в настоящее время являются основой наших представлений о химической связи. Коссель и Льюис предположили‚ что образование химической связи связано с тем‚ что каждый атом стремится приобрести устойчивую электронную конфигурацию ближайшего к нему инертного газа. Образование этой электронной конфигурации они объясняли по разному: Льюис говорил, что она образуется в результате обобществления электронов, т.е. за счет образования общих электронных пар, а Коссель считал, что ее образование связано с передачей электронов от менее электроотрицательного атома более электроотрицательному, что приводило к дальнейшему взаимодействию образовавшихся ионов за счет сил электростатического притяжения. Таким образом, представления Льюиса объясняли образование ковалентной связи, Косселя – ионной.
В зависимости от разности электроотрицательностей атомов, образовавших химическую связь (∆ = | E1-E2 |, где E1 и E2 - электроотрицательности атомов), она делится на ковалентную неполярную (∆ = 0),
ковалентную полярную (∆ < 2,0), ионную ( >2,0). В случае ионной связи электроны полностью смещаются к более электроотрицательному атому и связь образуется за счет сил электростатического притяжения разноименно заряженных ионов:
Na
+ Cl
[Na]+
[
Cl
]-
Химическая связь характеризуется тремя параметрами – длина связи, угол связи и энергия связи. Длина связи – это равновесное расстояние между центрами ядер в молекуле. Она зависит от радиусов атома и кратности связи. Энергия связи - это та энергия, которую нужно затратить на разрыв связи: чем меньше длина и кратность связи, тем выше энергия связи. Угол связи – это угол между воображаемыми линиями, проведенными через центры атомов. В 1927 году Гейтлер и Лондон решили уравнение Шреденгера для молекулы водорода, рассчитав энергию молекулы водорода для различных межатомных расстояний; они показали, что возможно два решения уравнение Шреденгера - волновая функция, получившая название симметричной функции (спины атомов водорода антипараллельны) и волновая функция, получившая название асимметричной функции (спины атомов водорода паралельны). В случае симметричной функции становится возможным передвижение электронов в поле обоих ядер, что приводит к значительному увеличению электронной плотности в пространстве между ядрами. Между ядрами появляется область
с высокой плотностью отрицательного заряда, который стягивает положительно заряженные ядра. Притяжение уменьшает потенциальную энергию системы - возникает химическая связь, при этом сферы облаков не касаются друг друга, а перекрываются. Наоборот, когда спины параллельны, плотность электронного облака в пространстве между ядрами падает до нуля, электроны выталкиваются из пространства между ядрами, химическая связь не образуется. Представления Гейтлера и Лондона о механизме образования химической связи послужили основой для разработки теории химической связи, получившей название метода валентных связей (МВС).
Основные положения метода валентных связей:
Химическая связь образуется между двумя атомами с антипараллельными спинами, при этом происходит перекрывание волновых функций электронов, между атомами появляется зона с повышенной электронной плотностью, что приводит к уменьшению потенциальной энергии системы.
Связь располагается в том направлении, в котором возможность перекрывания волновых функций электронов, образующих связь, является наибольшей.
Из двух орбиталей атома наиболее прочную связь образует та, которая сильнее перекрывается с орбиталью другого атома.
Химическая связь носит локализованный характер.
Рассмотрим в рамках МВС свойства ковалентной связи – ее насыщаемость, направленность и поляризуемость.