ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Образование сложных частиц. Природа химической связи

В обычных условиях очень немногие химические элементы (только благородные газы) находятся в состоянии одноатомного газа. Атомы других элементов в индивидуальном виде не существуют, так как могут взаимодействовать между собой или с атомами других элементов с образованием более сложных частиц. В этой связи заслуживают особого внимания такие частицы, как молекулы, молекулярные ионы и свободные радикалы1*. Причина возникновения этих частиц — образование химической связи между атомами под действием электростатических сил, т. е. химическая связь обусловлена взаимодействием электрических зарядов; носители зарядов — электроны и ядра атомов.

Главную роль в химической связи играют электроны на внешней оболочке атомов, связанные с ядром не очень прочно; эти электроны называются валентными. Именно поэтому конфигурация валентной электронной оболочки атомов — главный фактор, определяющий условия образования и природу химической связи.

Согласно теории химической связи внешние оболочки из двух (гелий Не) или восьми электронов (у благородных газов) самые устойчивые, поэтому благородные газы в обычных условиях не вступают в реакции с другими элементами. Атомы, имеющие на внешней оболочке менее восьми (у водорода менее двух) электронов, стремятся приобрести электронную конфигурацию благородного газа (водород стремится либо вообще отдать свой единственный электрон, либо приобрести еще один электрон до электронной оболочки гелия Не).

I При образовании молекулы атомы стремятся приобрести устой- . чивую восьмиэлектронную (октет) или двухэлектронную (дублет)

электронную оболочку.

Иногда отдельно выделяют также комплексные частицы, или просто комплексы.

Образование устойчивой электронной конфигурации может происходить несколькими путями. Различают несколько типов химической связи: ионная, ковалентная, металлическая, водородная и ван дер-ваальсовы взаимодействия. Отнесение химической связи в конкретной частице к определенному типу не всегда простая задача и при решении приходится учитывать совокупность химических и физических свойств. Любая химическая связь образуется только тогда, когда сближение двух (или большего числа) атомов приводит к понижению полной энергии системы (суммы кинетической и потенциальной энергий). Проиллюстрируем это утверждение на примере образования простой молекулы, состоящей из двух атомов.

Определяющие факторы — межъядерное расстояние г и энергия взаимодействия атомов Е. На рисунке 3.1 показано изменение энергии в системе из двух постепенно сближающихся атомов.

Энергия взаимодействия двух атомов в зависимости от межъядерного расстояния

Рис. 3.1. Энергия взаимодействия двух атомов в зависимости от межъядерного расстояния

При больших расстояниях между атомами энергия взаимодействия близка к нулю (область 1). При сближении атомов между ними возникает слабое ван-дер-ваальсово взаимодействие (область 2). Когда межъядерное расстояние становится сравнимым с размерами электронных оболочек атомов (область 3), между атомами появляется два конкурирующих вида взаимодействия: во-первых, притяжение между ядрами одного и электронами другого атома; во-вторых, отталкивание между одноименно заряженными ядрами и электронами обоих атомов. Сначала превалирует притяжение, и энергия продолжает уменьшаться вплоть до образования стабильной молекулы при г = ге. Минимум на кривой, глубина которого равна Dp, показывает тот выигрыш в энергии, которым сопровождается объединение изолированных атомов в молекулу. При дальнейшем сближении атомов (область 4) начинают превалировать силы отталкивания, резко возрастающие на малых расстояниях. Итак, молекулы А2 можно количественно охарактеризовать равновесным межъядерным расстоянием ге и энергией связи (энергией диссоциации) De (рис. 3.1). Для молекул типа АВ, состоящих из разных атомов, необходимо знать полярность связи, которая характеризуется электрическим дипольным моментом (см. ниже).

Решение вопроса о природе химической связи стало возможным только на основе квантовой механики, начальные сведения из которой рассмотрены в главе 2. Прежде чем рассмотреть особенности химических связей разных типов, конспективно определим каждую из упомянутых выше частиц.

Молекула — устойчивая электронейтральная система, состоящая из взаимодействующих электронов и нескольких ядер, способная к самостоятельному существованию. Устойчивость молекулы означает прежде всего то, что для ее разделения на атомы требуется затрата энергии.

Молекула — это мельчайшая частица вещества, на которые его можно разделить без потери химической индивидуальности, т. е. вещество сохраняет способность к определенным химическим превращениям. Например, водяной пар, воду или лёд можно разделить на отдельные молекулы воды, каждая из которых представляет собой объединенные в единую прочную систему атом кислорода и два атома водорода. Атом кислорода образует две химические связи — по одной с каждым из атомов водорода.

В отличие от молекул молекулярные ионы несут электрический заряд; они не могут существовать как вещество, так как между ними действуют силы электростатического отталкивания. Например, химики часто говорят об ионе аммония NH4, но вещества аммония не существует. Электростатическое отталкивание может быть компенсировано лишь присутствием эквивалентного числа отрицательно заряженных ионов, скажем ионов СП. Ионы NH4 с ионами С1“ образуют вещество хлорид аммония.

В соединениях с ковалентными связями каждый атом образует определенное число связей. Число связей, образованных атомом, называют валентностью. Если в состав многоатомной частицы входит атом, образующий меньшее число химических связей, чем это соответствует валентности, говорят, что частица обладает свободной валентностью. Такие частицы называют свободными радикалами. При встрече двух свободных радикалов за счет их свободных валентностей между ними возникает новая химическая связь, и пара свободных радикалов превращается в молекулу. В силу этой тенденции к попарному объединению свободные радикалы, как правило, не существуют в виде стабильного вещества. Например, хорошо изучен свободный радикал ОН* (гидроксил-радикал, точкой обозначено наличие свободной валентности), но вещества гидроксила нет. В органической химии под радикалом подразумевают фрагмент молекулы, который может быть носителем определенных свойств. Например, радикал ОН придает молекуле свойства спирта или в сочетании с группой С=0 — свойства карбоновой кислоты (фрагмент -СООН, несущий кислотные функции, называется карбоксилом).

Если же этот фрагмент тем или иным путем удается отделить от молекулы, он становится свободным радикалом.

Некоторые молекулы или молекулярные ионы могут объединяться в более сложные частицы, сохраняя в основном свое строение и способность выделяться в неизменном виде при определенных условиях. Например, аммиак реагирует с ионами серебра, давая частицы Ag(NH3)2- В определенных условиях эти частицы распадаются на исходный ион Ag+ и молекулы аммиака. В химии такие сложные частицы называются комплексами. Комплексы играют исключительно важную роль в биологических системах. Например, важная особенность биологических катализаторов (ферментов) заключается в способности образовывать комплексы с субстратами — молекулами, которые в живых организмах превращаются в те или иные продукты при действии ферментов. Субстрат можно выделить из комплекса с ферментом.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >