Ковалентная связь

В наиболее чистом виде эта связь осуществляется в случае одинаковых, незаряженных атомов. Классическим примером является молекула водорода. Возникновение связи можно объяснить следующим образом.

Предположим, что два атома водорода в основном состоянии сначала удалены на большое расстояние так, что никакого взаимодействия между ними нет. В этом случае распределение плотности объемного заряда в каждом из атомов обладает сферической симметрией. Каждый атом имеет в этом состоянии некоторую энергию Е(), так что полная энергия системы равна 2Е0. Представим, что расстояние А между ядрами атомов уменьшается. Вследствие взаимодействия между электронами и ядрами, входящими в состав каж дого из атомов, изменится и распределение электронной плотности, и полная энергия системы, которая теперь будет Е = 2Е(} + U(R). Величина U(R) есть средняя энергия кулоновского взаимодействия зарядов. При классическом рассмотрении задачи она оказывается всегда положительной и увеличивается при уменьшении R, так что наблюдается отталкивание двух атомов водорода. Поэтому факт существования молекулы Н2 в классической теории не находит никакого объяснения. Принципиально другой результат получается в квантовой механике.

Благодаря специфическим особенностям поведения тождественных частиц (в данном случае электронов) средняя энергия кулоновского взаимодействия может оказаться отрицательной. Ее можно представить в виде суммы двух членов, один из которых имеет чисто классический вид (и всегда положителен), второй же имеет различные знаки (и различную величину) в зависимости от относительной ориентации спинов электронов. Этот второй член называется обменной энергией. Если спины электронов параллельны друг другу, то для полной энергии взаимодействия U(R) получается кривая типа 1 (см. рис. 2.1). Кривые равной плотности заряда в электронном облаке такой системы схематично изображены на рис. 2.2, а. В этом случае плотность заряда между атомами имеет минимум, и отрицательный заряд локализован у каждого из ядер.

а б

Рис. 2.2. Распределение электронной плотности у двух взаимодействующих атомов водорода:

а - электронные спины параллельны (отталкивание); б - электронные спины ан-типараллельны (молекула Н,)

Энергия взаимодействия всегда положительна, а следовательно, два атома Н в таком состоянии отталкиваются. Если оба спина антипараллельны, то зависимость (7(7?) изображается кривой типа 2 (см. рис. 2.1); она имеет минимум, объясняющий возможность образования устойчивой молекулы Н, при 7? = 7?(). Кривые равной плотности заряда для этого случая показаны на рис. 2.2, б.

Здесь электронные облака обоих атомов как бы сливаются вместе и образуют единое облако объемного заряда, охватывающее оба ядра. Важным свойством ковалентной (гомеополярной) связи является ее насыщаемость. При сближении с молекулой Н2 третьего атома Н энергия взаимодействия изменяется только за счет классического взаимодействия, обменная же энергия при этом не возникает, поэтому третий атом Н будет отталкиваться от молекулы Н2.

Другая важная особенность гомеополярных связей заключается в их пространственной направленности, которая возникает потому, что результирующее электронное облако, образуемое валентными атомными электронами, вытянуто вдоль определенных направлений.

С другой стороны, для образования гомеополярной связи необходимо перекрытие электронных облаков взаимодействующих атомов. Поэтому связываемые атомы ориентированы определенным образом друг относительно друга.

Сказанное схематически поясняет рис. 2.3, где в двумерном представлении показано электронное облако атома углерода (2s и трех состояний 2р.

Там же изображены соответствующие ему четыре направленные валентности (рис. 2.3, б). В действительности эти четыре валентности лежат не в одной плоскости, а образуют тетраэдрическое расположение, составляя друг с другом углы 109,5°. Четкое разграничение между ковалентной и ионной связями не всегда возможно.

Гомеополярную связь в чистом виде мы имеем в молекулах из двух одинаковых атомов, например в молекуле водорода, где распределение электронной плотности симметрично относительно

Электронное облако Зя-электронов и 2/>-электронов атома углерода (а) и четыре его направленные валентности (б)

Рис. 2.3. Электронное облако Зя-электронов и 2/>-электронов атома углерода (а) и четыре его направленные валентности (б)

обоих ядер. Если оба атома различны, то и результирующее электронное облако в молекуле будет асимметрично и оба атома нельзя уже считать незаряженными.

Ионную связь можно рассматривать как предельный случай гомеополярной связи, когда электронное облако валентных электронов сосредоточивается вокруг одного из ядер. Она проявляется преимущественно в соединениях щелочных металлов, я-электрон которых слабо связан с ядром атома.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >