Химическая связь

Химическая связь образуется в большинстве случаев в результате той или иной перегруппировки электронов, содержащихся во взаимодействующих атомах. Важнейшими формами таких перегруппировок являются: 1) передача одного или большего числа электронов от одного из атомов другому и 2) смещение электронов в направлении к одному из атомов, причем большей частью при этом образуются электронные пары, общие для взаимодействующих атомов и связывающие их между собой. В этих процессах основную роль играет относительная прочность связей электронов с разными атомами и способность последних к присоединению новых электронов. Вследствие этого необходимо ввести две новые величины, играющие большую роль при рассмотрении взаимодействия атомов: сродство атома к электрону и электроотрицательность элемента.

Образование химической связи. Ковалентная связь. Прежде чем перейти к рассмотрению отдельных видов связи, полезно сопоставить основные схемы их образования.

Схему образования типичной ионной связи можно представить следующим образом. Один из взаимодействующих атомов передает другому (или другим) один или большее число электронов, в результате чего атомы превращаются в ионы и эти ионы, притягиваясь друг к другу вследствие противоположного знака их заряда, образуют молекулу (или кристалл или вообще данное соединение).

Ковалентная связь образуется путем передачи каждым из взаимодействующих атомов одного (или большего числа) электрона на образование электронной пары (или пар), общей для обоих атомов, которой и осуществляется связь между ними.

Ионная связь в чистом виде может образоваться только между атомами элементов, сильно различающихся по своей электроотрицательности, а типичная ковалентная связь (неполярная) образуется, когда взаимодействующие атомы принадлежат элементам, одинаковым или почти одинаковым в этом отношении. В остальных случаях электронная пара, связывающая атомы, будет принадлежать им не в одинаковой степени. Она будет в той или иной степени как бы смещенной к одному из них или, точнее говоря, электроны этой пары в среднем во времени будут больше принадлежать одному из атомов, чем другому, т. е. больше времени находиться вблизи одного из них. Образующаяся в этом случае связь является полярной.

Так как при образовании ионной связи, присоединяемый атомом электрон обычно тоже образует электронную пару с неспаренным электроном данного атома, то можно сказать, что химическая связь большей частью осуществляется образованием электронной пары. В зависимости от соотношения электроотрицательностей элементов электронная пара может или полностью находиться у одного из них (ионная связь), или принадлежать им в одинаковой степени (типично или чисто ковалентная связь), или находиться в промежуточном состоянии (полярная связь).

Свободные атомы могут соединяться с образованием устойчивой молекулы только в тех случаях, когда процесс этот сопровождается выделением энергии. Именно выделение энергии и делает образующуюся молекулу устойчивой, так как для обратного разложения ее требуется затрата энергии извне. Из различных форм связи между атомами более устойчивой является обычно та, образование которой сопровождается выделением большего количества энергии.

Остановимся предварительно на некоторых отличиях в свойствах, присущих положительному водородному иону Н⁺. Водородный атом обладает той особенностью, отличающей его от всех остальных атомов, что, отдавая свой электрон, он остается в виде ядра без электронов, т. е. в виде частицы, диаметр которой в тысячи раз меньше диаметров остальных атомов. Кроме того, вследствие отсутствия у него электронов ион Н⁺ не испытывает отталкивания от электронной оболочки другого атома или иона, а наоборот, притягивается ею. Это позволяет ему ближе подходить к другим атомам и вступать во взаимодействие с их электронами (и даже внедряться в их электронную оболочку). Поэтому в жидкостях водородный ион Н⁺ большей частью не сохраняется в виде самостоятельной частицы, а связывается с молекулами других веществ. В воде он связывается с молекулами Н₂О, образуя ион Н₃О⁺, называемый ионом гидроксония; с молекулой аммиака он связывается, образуя ион NН₄ — ион аммония, и т. д.

Перейдем теперь к вопросу о водородной связи. В различных состояниях водородного атома такая способность к присоединению может быть свойственна ему не в одинаковой степени. Наиболее сильной она будет тогда, когда он в наиболее полной степени отдает свой электрон, т. е. прежде всего, когда он находится в состоянии положительного иона Н⁺, а также, когда он связан с атомами наиболее электроотрицательных элементов — в первую очередь с атомами фтора и кислорода и в меньшей степени с атомами хлора и азота. Наоборот, в случае неполярной или малополярной связи (с углеродом, кремнием или другими) и тем более в случае связи с менее электроотрицательными элементами — с металлами (гидриды металлов)— этой способности у атома водорода быть не может.

Водородная связь — это как бы вторая (побочная) валентность водородного атома, которую он может проявлять по отношению к сильно отрицательным (в рассматриваемом состоянии) атомам, если основная валентность связывает его с атомом, тоже сильно отрицательным в данной молекуле. В состояниях, когда эта способность развита в сильной степени, атом водорода может настолько интенсивно взаимодействовать с электронами другого атома, что между ними устанавливается довольно прочная связь (с энергией связи большей частью 5— 7 ккал/моль), которая может хорошо проявляться в спектрах. Однако она все же много слабее обычной химической связи (энергия которой составляет примерно 30—100 ккал/моль).

Водородная связь возникает в результате междипольного взаимодействия двух сильнополярных связей, принадлежащих различным молекулам (или одной и той же молекуле), но она в значительной степени усиливается вследствие взаимной поляризации связей, обусловленной указанными особенностями водородного атома.

Дата добавления: 2015-06-25