Химическая связь
Сегодня приступаем к разбору 4 вопроса егэ по химии, посвященного химической связи, ее типам и механизму образования. Тема достаточно большая, поэтому мы ее разделим на несколько частей. В первой рассмотрим причины и механизм образования, а во второй кристаллические решетки и их виды.
Причины образования химической связи
Мы с вами изучили уже атомно-молекулярную теорию, но в обычных условиях атомы в свободном виде не существуют, они связаны в молекулы, кристаллы и другие более сложные структуры. Все эти структуры входят в состав химических систем, между этими системами образуется химическая связь. В предыдущей теме мы с вами уже поняли, что можно предсказывать свойства веществ, опираясь на атомно-электронное строение. Теперь мы пойдем дальше и разберемся в реакционной способности и научимся предсказывать поведение соединения в смеси. В основе любой химической связи лежит перераспределение электронной плотности между несколькими центрами. Данная перераспределённая плотность притягивается к центрам и притягивает их друг к другу.
Химические связи имеют ряд отличий между собой.
Если электроны принадлежат всем ядрам можно говорить о наличии ковалентной связи в общем случае.
Если связь образована между атомами одного соединения, то электронная плотность распределяется симметрично по оси связи и относится к двум атомам сразу (пример молекулы азота). Дипольный момент таких молекул = нулю. Такой вид связи именуется ковалентной неполярной.
В случае образования связи между различными атомами можем говорить о ковалентной полярной связи. В этом типе электронная плотность смещается в сторону наиболее электроотрицательного атомам (вспоминаем понятие элетроотрицательности при подготовке к 3 заданию егэ по химии), получающий своего рода эффективный отрицательный заряд, а его собрат по связи – положительный заряд.
Ионная связь – это вид полярной связи, соответствующий полному переносу электронов с одного атома на другой. Давайте сразу запомним, что идеальной ионной связи в реальных условиях не бывает. Даже в таких, казалось бы, классических соединениях как галоген-щелочной металл связь ионная только на 90% максимум. Ионные соединения и ионные реакции мы свами рассматривали уже при подготовке к 31 заданию егэ по химии.
Так в чем же причины образования химической связи? Что лежит в основе? Давайте вместе рассмотрим молекулярный ион водорода, состоящий из протонов и одного электрона. Ион в чистом виде в обычных условиях не существует, так как быстро реагирует с электроном, но сам по себе ион весьма устойчив. Поэтому сейчас мы и рассматриваем его устойчивость по отношению к разрыву химических связей. Сможет ли эта связь разорваться самопроизвольно или потребуется энергетическая затрата?
При образовании химической связи всегда происходит выделение энергии, равной энергии химических связей. Откуда она появляется? Давайте думать вместе.
Начнем с классики – кулоновское взаимодействие. Между ядрами наблюдаем силу отталкивания, а между отдельно взятым ядром и электронами – силу притяжения. От нахождения электрона в пространстве зависит будут ли ядра притягиваться друг к другу или напротив произойдет картина дополнительного отталкивания друг от друга.
В химии есть понятие связывания/разрыхления. То есть у нас область вокруг ядер делится на области связывания и области разрыхления. Важно, что даже если электрон расположен области разрыхления, вне линии соединяющей ядра, то равнодействующая сил, воздействующая на электрон, направлена в область между ядрами, а значит в область связывания, что и обеспечивает образование связи. Из вышесказанного следуют важные выводы:
- При нахождении электрона в области связывания обеспечивается образование химической связи.
- Электрон стремится в связывающую область.
- Одновременное взаимодействие электрона с ядрами дает образование химической связи.
Квантовая механика в рассмотрении образования химической связи
А теперь рассмотрим образование связи используя понятия квантовой физики (квантовой механики).
Вы наверняка помните, что такое принцип неопределенности (не помните – обязательно повторите его в разделе подготовки к экзамену по физике, в будущем он вам очень пригодится в стенах Университета). Так вот в рамках неопределенности мы с вами рассматриваем не взаимодействие электрон- частица, а вероятность пребывания электрона в определенном месте, или диффузное электронное облако.
Если мы берем уже пресловутый ион водорода, то там электрон не относится к какому-то одному из двух ядер, его заряд как бы размазан по симметричной системе – 2 протона – 1 электрон (или как грамотно выражаясь – электрон делокализован между ядрами ( протонами). Но при этом система находится в состоянии динамического равновесия – баланса сил притяжения и отталкивания.
В случае иона водорода рассмотрим два случая:
- Протоны находятся на таком расстоянии друг от друга, что взаимодействия между ними не наблюдается. В этом случае имеем два набора атомных орбиталей.
- Рассмотрим случай, когда межъядерное отталкивание полностью отсутствует, в этом варианте два протона сводятся как бы в один центр. У нас получено ядро с зарядом +2 соответствующий атому гелия. Добавляем наш многострадальный электрон – получаем одноэлектронный ион гелия.
Из этого следует, что молекулярному иону соответствует некое промежуточное состояние, при котором два протона расположены на расстоянии, допускающем их взаимодействие между собой. Электрон у нас будет находится на орбитали с наименьшей энергией (вспоминаем принцип Паули). При удалении электрона от ядра происходит обращение энергии в нуль. Вспоминаем информацию выше – электронная плотность распределяется симметрично по отношению к обоим ядрам и концентрируется в области связывания – между ядрами.
Таким образом учет основных постулатов квантовой механики проясняет картину идеей делокализации электронов, принимающих участие в образовании связи, существование этого условия – один из самых важных выводов квантово-механического рассмотрения картины образования связи в молекулярном ионе водорода.
Запомните, что абсолютно все теории химической связи сводятся к различным вариантам описания делокализации электронов, к разным математическим моделям определения волновых функций молекул.
Рассмотрим теперь молекулу водорода (то есть к нашей предыдущей модели добавлен еще один электрон). Исходя из того же принципа Паули мы помещаем электрон на ту же орбиталь, где у нас есть уже первый электрон (спины будут противоположны). Энергия связи в ходе таких действий резко возрастает чуть меньше, чем в два раза. Она удвоилась бы если бы в молекуле не возникло межэлектронное отталкивание наподобие многоэлектронных атомов. Связь в молекуле водорода стала прочнее и короче по сравнению с ионом водорода. Две 1s – орбитали перекрывают друг друга в значительной мере, а значит выполняется условие образования химической связи. Не забывайте, что если сближаются два атома водорода (и не только водорода), электроны которых имеют параллельные спины, то связь между ними не образуется согласно принципу Паули. Такие атомы разойдутся.
Мы дали очень обобщенные принципы квантовой механики, которые наглядно демонстрируют причины возникновения химической связи и которые сохраняют понятие орбиталей – одноэлектронных пространственных волновых функций и для многоэлектронных атомов и молекул.
А теперь давайте начнем рассмотрение типы кристаллических решеток, ионную и металлическую связь. Тема обширная и подразделена на несколько частей.
Кристаллическое состояние вещества
Между любыми частицами (атомами, молекулами, ионами) действует два вида сил взаимодействия – притяжение и отталкивание. Чем меньше расстояние между частицами, тем больше это взаимодействие. На основании изученного материала по строению атомов и ионов можно сделать вывод, что на крайне малых расстояниях силы отталкивания преобладают над силами притяжения. Это объяснимо соприкосновением и сжатием электронных облаков. Это и объясняет возможность существования отдельных атомов, молекул в твердом теле; атомов в кристаллах, молекул в твердой органике.
При низких температурах кинетическая энергия частиц весьма мала и силы притяжения удерживают молекулы вместе на таких расстояниях друг от друга, при которых силы отталкивания равны силам притяжения.
На этом мы заканчиваем первую часть нашей статьи. Последующий материал начнем с наглядного примера как образуется кристаллическая решетка, какие модификации существуют и как «укладываются» атомы в решетке.
Ответы