Учение о строении вещества объясняет причины многообразия структуры веществ в различных агрегатных состояниях. Современные физические и физико-химические методы позволяют экспериментально определять структуру молекул.
Только благородные газы в природных условиях находятся в состоянии одноатомного газа. Свободные атомы остальных элементов образуют более сложные структуры – молекулы, ионы и другие соединения, имеющие более стабильные электронные конфигурации. Это явление носит название образование химической связи. Таким образом, химическая связь– это совокупность взаимодействий между электронами и ядрами, приводящих к соединению атомов в молекулы, ионы и др. частицы.
По своей природе химическая связь представляет собой взаимодействие между положительно заряженными ядрами и отрицательно заряженными электронами, а также электронов друг с другом. Единственным критерием химического взаимодействия атомов, ионов или молекул является изменение электронной плотности.
Образование устойчивой химической связи возможно, если:
а) образование нового соединения (структуры) сопровождается выделением энергии, т. е. энергия возникших частиц должна быть ниже энергии исходных;
б) в пространстве между ядрами частиц, образующих связь, электронная плотность возрастает. При этом происходит не просто наложение электронных плотностей каждого атома, а перераспределение электронной плотности в области химической связи (чем меньше размер связи, тем больше плотность и тем прочнее связь);
в) спины электронов взаимодействующих атомов должны быть антипараллельны, при этом электронные облака, обладающие волновыми свойствами, накладываются друг на друга в зоне между ядрами атомов, а в месте их перекрывания электронная плотность возрастает. Электронные облака с параллельными спинами при сближении отталкиваются друг от друга, и связь не возникает.
Любая химическая связь характеризуется длиной, прочностью, ориентацией, полярностью.
Длиной химической связи (rc) называют величину, измеряемую расстоянием между ядрами связываемых атомов. В качестве единицы измерения длины химической связи rc удобно использовать пикометр (пм): 1 пм = 10-12 м. Характерное значение для одинарной связи rc = 100 пм. Для молекулы воды rон = 97 пм. Длина связи определяется рентгеноструктурным анализом и другими физическими методами.
Прочность химической связи (Ес) – величина, измеряемая энтальпией ∆Нс образования связи. В качестве единицы измерения прочности химической связи используют кДж/моль. Характерное значение для одинарной связи ∆Нс = 400 кДж/моль. Для водорода ∆НН-Н = 430 кДж/моль, для воды ∆НО-Н = 456 кДж/моль.
Ориентация химической связи (aс) – величина, измеряемая углом между направлениями связей данного атома с соседними атомами молекулы. Угол aс называют валентным. Единица измерения валентного угла aс – градус, значение которого может меняться от 90 до 180 0. Для воды aНОН = 104 0. Для диоксида углерода aОСО = 180 0.
Полярность химической связи (mс) – величина, измеряемая электрическим моментом данной связи. Химическая связь поляризуется, когда связываются два атома с разной ЭО. В результате на атоме с большим значением ЭО возникает избыточный отрицательный заряд -d, а на другом атоме с меньшим значением ЭО – избыточный положительный заряд +d.
Таким образом, при образовании химической связи действуют силы двух типов: сила притяжения между ядром одного атома и электроном другого и сила отталкивания между ядрами и электронами разных атомов. В результате образования химической связи атомы могут приобретать такую же электронную конфигурацию, как у благородных газов (1s2 или ns2p6), которые (за исключением гелия) имеют на внешней оболочке восемь электронов (октет). Стремление к созданию такой устойчивой электронной конфигурации получило название правило октета. Оноо справедливо как для ионной, так и для ковалентной связи.
Точное распределение электронов возможно только для небольшого числа молекул. Обычно используют приближенные методы расчета двух- и многоатомных систем с ковалентной связью: метод валентных связей (МВС) или метод молекулярных орбиталей (ММО). Эти два метода не исключают, а взаимно дополняют друг друга. МВС позволяет объяснить химические связи и свойства многих соединений. ММО обеспечивает общий подход ко всем типам химических соединений, его используют при программировании.