СЛОВАРЬ ЮНОГО ХИМИКА

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Химическая связь - природа химического взаимодействия на протяжении столетий была предметом размышлений многих поколений ученых и философов. В попытках разгадать тайну химического сродства веществ ученые сделали немало важных наблюдений, выдвинули множество интересных гипотез, но значительного успеха удалось добиться лишь с созданием в 1925—1927 гг. квантовой механики .

Согласно квантовомеханической теории, определенному расположению атомных ядер в пространстве отвечает некоторое распределение электронной плотности . При образовании молекулы электронные облака, соответствующие внешним, валентным, орбиталям атомов, перекрываются и между ядрами образуется некоторый отрицательный заряд, называемый зарядом перекрывания . Наличие значительной электронной плотности в межъядерном пространстве как бы «цементирует» молекулу, стягивая ядра к области перекрывания электронных облаков взаимодействующих атомов.

То, что принято называть химической связью, представляет собой взаимодействие атомов, энергия которого лежит в пределах от нескольких десятков до примерно 1000 кДж/моль. Так, в молекуле CS2 энергия связи составляет около 42 кДж/моль, тогда как в N2 она порядка 940 кДж/моль. Однако энергетический критерий еще не дает возможности отличить химическую связь от других видов взаимодействий (например, от межмолекулярного, энергия которого может достигать 80 кДж/моль). Правильнее будет определить химическую связь исходя из электронного строения соединений, ибо при всем разнообразии типов химического взаимодействия его характерная черта состоит в перестройке электронных оболочек связывающихся атомов. В результате этой перестройки происходит коллективизация (обобществление) валентных электронов атомов  и перенос заряда (если связь образуется между различными атомами). Причем обобществление валентных электронов особенно важно, так как образование химической связи только путем переноса заряда от одного атома к другому без коллективизации электронов в природе не осуществляется. Иными словами, чисто ионные связи не существуют, хотя ионная модель химического взаимодействия во многих случаях (например, для описания сильно полярных соединений, находящихся в твердом состоянии, NaCl, КВг и т. д.) оказывается весьма полезной и правильно отражает основные свойства веществ.

Итак, под химической связью следует подразумевать ковалентную связь, т. е. межатомное взаимодействие, сопровождающееся перестройкой валентных электронных оболочек атомов и коллективизацией электронов. Это определение позволяет охватить практически все случаи химической связи.

Как правило, ковалентная связь осуществляется локализованной (сосредоточенной) между двумя атомами парой электронов с противоположно направленными (антипараллельными) спинами (спин — собственный момент количества движения элементарных частиц), т. е. представляет собой двухэлектронную, двухцентровую связь (под «центром» понимают атомное ядро), сокращенно— (2е~—2ц)-связь. Рассмотрим теперь более детально ковалентную связь в молекуле водорода ( 3). При ее образовании электронные ls-облака (ls-орбитали) перекрываются и в пространстве между ядрами появляется некоторая дополнительная электронная плотность отрицательный заряд перекрывания, стягивающий положительно заряженные ядра. Сближение ядер может происходить до тех пор, пока силы межъядерного отталкивания не будут уравновешены силами притяжения ядер к заряду перекрывания. Межъядерное расстояние, отвечающее равенству указанных сил, называется равновесным (Rp3B„) и принимается за длину химической связи. Энергия системы взаимодействия атомов по мере их сближения сначала падает, достигая минимума при R = Rpaвн, а затем возрастает, что свидетельствует о преобладании сил отталкивания между ядрами при сближении их на расстояние меньше RpaB.

Перевод атома в валентное состояние не сводится только к его возбуждению. Атому в молекуле, в отличие от свободного атома, отвечает хаотическое распределение ориентаций спинов неспаренных электронов. Учет этого обстоятельства требует добавки к энергии возбуждения атома (Ев03б) энергии, связанной с переориентацией спинов (£с„). Вклад £сп в суммарные затраты энергии, необходимые для перевода атома в валентное состояние (£вал), весьма заметен и соизмерим с £В03б- Кроме того, электронные облака атома в молекуле могут быть так или иначе гибридизованы, чему также соответствует определенная энергия (£Гибр) • Однако ее вклад в £вал обычно не превышает 20—60 кДж/моль, и им часто пренебрегают.

Все указанные энергетические затраты на перевод атома в валентное состояние компенсируются энергией, выделяющейся при образовании химических связей.

Иными словами, движение электронов не всегда ограничено областью только двух ядер, электроны могут быть делокализованы по всей молекуле или по ее фрагменту.

Несмотря на разнообразие типов химических связей, можно выделить три общих и наиболее важных их свойства. Прежде всего, валентные возможности атомов каждого элемента, т. е. его способность образовывать химические связи, строго упорядочены и ограничены, благодаря чему молекулы имеют определенный состав. Иначе говоря, химическое взаимодействие обладает свойством насыщаемости. Это первое важное свойство химической связи. Так, например, есть нейтральные молекулы Н20, Н202, радикалы ОН, 02Н, но нет соединений состава Н3О5, H70i2 и т. д.

Второе важное свойство химической связи — ее направленность. Так как электронные облака имеют разную форму и ориентацию в пространстве , их взаимное перекрывание может осуществляться различными способами. В зависимости от симметрии образующегося облака перекрывания различают б-и л-связи. При образовании б-связи область перекрывания находится на линии связи ; л-связи возникают при перекрывании электронных облаков по разные стороны от этой линии . Пространственное расположение б-связи определяет геометрию молекулы. Часто, однако, химические связи образуются не «чистыми» электронными облаками, характерными для изолированных атомов, а «смешанными» или гибридными облаками атомов. При гибридизации п различных по форме и энергии облаков их первоначальная форма, энергия и ориентация изменяются и образуются п новых электронных облаков одинаковой формы и энергии, которые ориентированы в пространстве так, чтобы отталкивание между ними было бы минимальным. Иными словами, при гибридизации электронных облаков (орбиталей) атомов происходит как бы «выравнивание» их по форме и энергии.

И наконец, третье важное свойство химической связи — ее полярность. Связь между атомами разных элементов всегда в той или иной степени полярна, так как разные атомы имеют различную электроотрицательность. Например, в молекуле НС1 электронная плотность смещена к атому хлора, потому что его электроотрицательность больше, чем у водорода. В результате на атомах образуются эффективные частичные заряды Н+0 !8С1~018.

Рассмотренные выше понятия и представления лежат в основе современной теории химической связи. В настоящее время строение молекул и твердых тел методами квантовой механики изучает квантовая химия.