Химическая связь

Химическая связь Строение молекул

Химическая связь Строение молекулАтомы в свободном состоянии встречаются в природе очень редко. Обычно они соединяются или друг с другом, образуя молекулы типа Н2Р4Сn, или с атомами других элементов, давая огромное количество самых различных соединений. В любом случае между атомами в молекулах возникает химическая связь.

Рис. Образование молекулы водорода

Химическая связь имеет электрическую природу. Она возникает в результате движения, перегруппировки электронов во взаимодействующих атомах. В этом процессе наибольшую роль играют наружные, наиболее подвижные частицы, определяющие периодичность изменения свойств элементов. Электроны внутренних заполненных уровней в образовании химической связи практически не участвуют.

Атомы могут соединиться и дать устойчивую молекулу только в том случае, если в результате нового распределения электронов будет достигнут выигрыш в энергии, т. е. энергия молекулы, обусловленная взаимодействием ядер и электронов, окажется ниже суммы энергий отдельных изолированных атомов. Рассмотрим, например, образование молекулы водорода Н2 из отдельных атомов водорода. Не учитывая пока способа, которым они соединяются, будем следить за изменением потенциальной энергии (U) системы, состоящей из двух атомов H+H, в зависимости от расстояния R между ними (рис.). Удаленные друг от друга на значительное расстояние атомы водорода не взаимодействуют; потенциальную энергию всей системы можно в этом случае условно приравнять к нулю. При сближении свободных атомов до расстояния, меньшего ~0,2 нм, между ними начинают действовать силы притяжения, что сопровождается понижением потенциальной энергии (участок А→В→С). При дальнейшем сближении атомов притяжение усиливается (вплоть до R = R0 = 0,074 нм). В этот момент силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания одноименно заряженных электронных облаков и потенциальная энергия принимает минимальное значение Umin. При R<R0 силы отталкивания резко возрастают. Это приводит к быстрому увеличению потенциальной энергии (участок cde), и атомы водорода возвращаются к наиболее устойчивому положению, характеризующемуся минимумом потенциальной энергии системы.

Образование любых других двухатомных или многоатомных молекул также сопровождается понижением потенциальной энергии всей системы взаимодействующих атомов. Графически это выражается наличием минимума на кривой зависимости потенциальной энергии от межатомного расстояния. Величина минимума («потенциальная яма») характеризует относительную прочность образовавшейся молекулы и называется энергией химической связи. Она численно равна работе, которую необходимо затратить, чтобы разъединить связанные между собой частицы (атомы или ионы) на бесконечно большое расстояние, где их взаимодействием можно пренебречь. Единицей измерения энергии химической связи в системе СИ является дж/моль.

Расстояние R0 между атомами, на котором силы притяжения уравновешены силами отталкивания и которому соответствует минимум потенциальной энергии системы, называется длиной химической связи или межатомным расстоянием. Энергия и длина химической связи являются ее важнейшими количественными характеристиками. Например, в молекуле водорода длина связи Н—Н равна 0,074 нм, а ее энергия — 432 кдж/моль.

Перераспределение электронов между взаимодействующими атомами может приводить к появлению двух крайних типов химической связи. При переходе электронов из оболочки одного атома в оболочку другого атома образуется ионная связь; возникающие ионы стягиваются за счет электростатических сил. Если же электроны поступают от каждого атома в общее пользование, получается ковалентная связь. Движущей силой этих процессов является стремление каждого атома окружить себя устойчивой электронной оболочкой ближайшего инертного элемента. При этом достигается выигрыш в энергии.

Однако, как мы далее увидим, такое рассмотрение механизмов формирования химической связи является упрощенным.

Статья на тему Химическая связь Строение молекул