Химическая связь

Химическая связь. Химия изучает процессы превращения молекул при воздействиях и при воздействии на них внешних факторов теплоты, света, электрического тока, магнитного поля, во время которых образуются новые химические связи.

Под химической связью понимается результат взаимодействия между атомами, выражающийся в создании определенной конфигурации атомов, отличающий один тип молекулы от другого. До создания квантовой механики полагали, что существует особая химическая сила, вызывающая связь атомов, которая, в отличие от других сил природы, обладает насыщаемостью.

Квантовая механика следующим образом объяснила химические явления взаимодействие электронных оболочек атомов порождает химические связи. Если атомные конфигурации подходят друг к другу, возникает одна округлая структура, несколько большая, чем до этого был каждый атом по отдельности. Так получается насыщенная молекула, и присоединить к ней еще какой-то атом почти невозможно. При образовании молекулы перекрытие электронных облаков приводит к образованию между ядрами некоторого отрицательного заряда, который как бы цементирует молекулу, стягивая ядра к области перекрытия. Энергия этого взаимодействия - порядка 1000 кДж моль у молекулы азота - 940, цезия - 42 . Для сравнения, энергия межмолекулярного взаимодействия составляет порядка 100 кДж моль, так что отличить их по энергии трудно, поэтому важно выделить главную черту химической связи - обобществление валентных электронов и перенос заряда, если связь образуется между разными атомами.

Главные отличительные черты химической связи 1. понижение полной энергии многоатомной системы по сравнению с энергией изолированных атомов или атомных фрагментов, из которых она образована 2. существенное перераспределение электронной плотности в области химической связи по сравнению с простым наложением электронных плотностей не связанных атомов или атомных фрагментов, сближенных на расстоянии связи.

Последняя особенность наиболее точно отделяет химическую связь от межмолекулярных взаимодействий, тогда как энергетический критерий является менее определенным. Природа химической связи полностью определяется электрическими кулоновскими взаимодействиями ядер и электронов, однако правильное описание распределения электрического заряда возможно лишь с учетом законов квантовой механики.

Точные расчеты зависимостей полной энергии и ее компонент от межъядерного расстояния для простейшей структуры с химической связью - молекулярного иона Н 2 с одноэлектронной связью - показывают, что минимум полной энергии, который достигается при равновесном межъядерном расстоянии, равном 1,06 А0, связан с резким понижением потенциальной энергии электрона вследствие концентрации и сжатия облака электронной плотности в межъядерной области.

При этом кинетическая энергия электрона возрастает и наполовину компенсирует понижение потенциальной. Результирующий эффект понижение энергии превышает энергию расталкивания положительно заряженных ядер и обусловливает образование химической связи с энергией 255 кДж моль. Такая интерпретация природы химической связи, дополненная учетом эффектов межэлектронного отталкивания и электронной корреляции, в целом распространяется на описание связей в двух- и многоэлектронных молекулах.

Полагая движение электронов независимым от намного более медленных ядерных движений адиабатической приближение, можно вполне строго описать образование химической связи как результат действия кулоновских сил притяжения положительно заряженных атомных ядер к электронному облаку, сконцентрированному в межъядерном пространстве.

Заряд этого облака стремится приблизить ядра друг к другу связывающая область, тогда как электронный заряд вне межъядерного пространства несвязывающая область стремится ядра раздвинуть. В этом же направлении действуют и силы ядерного отталкивания. При сближении атомов на равновесное расстояние часть электронной плотности из несвязывающей области переходит в связывающую. Электронный заряд распределяется в обеих областях так, чтобы силы, стремящиеся сблизить и оттолкнуть ядра, были одинаковыми.

Это достигается при некотором равновесном расстоянии, соответствующем длине связи. Варианты классификации химической связи определяются различными ее характеристиками или способами описания в духе классической теории валентности или в рамках квантовохимических представлений следует подчеркнуть, что между этими подходами не всегда может быть установлено однозначное соответствие. В теории валентности каждой связи между атомами соответствует одна электронная пара. В зависимости от способа ее образовании из электронов связываемых атомов можно выделить ковалентную связь и координационную связь.

Если электронная пара химической связи полностью принадлежит одному из атомов, то образуется ионная связь. По степени смещения центра тяжести электронного облака связывающих электронов химические связи делят на неполярные равноудаленность от обоих атомных центров и полярные промежуточные между неполярными и ионными. Ковалентные и координационные связи подразделяются по числу образующих их электронных пар на простые и кратные - двойные, тройные и четверные.

При рассмотрении химической связи, основанном на квантовомеханических расчетах волновых функций многоатомных молекул, ионов, кристаллов, понятие двухцентровой связи, используемое в классической теории валентности, не получает прямого эквивалента вследствие делокализзации электронных орбиталей по нескольким нередко всем атомным центрам.

Переход к локализованным орбиталям часто сохраняет возможность анализировать химические связи в многоатомных молекулах в рамках традиционных представлений о связях, поделенных и неподеленных электронных парах. Типичные примеры соединений с локализованными двухцентровыми связями - насыщенные углеводороды связи С-Н, С-С . В том случае, когда процедура локализации не позволяет однозначно выделить в молекуле локализованные двухцентровые орбитали, реализующиеся в ней химические связи относят к многоцентровым связям, характерным для ненасыщенных соединений с сопряженными связями. Предельный случай делокализации - металлическая связь, обусловленная перемещением валентных электронов металла во всем пространстве кристаллической решетки, образуемой его положительными ионами.

Основные характеристики химической связи - прочность, длина, полярность. Длина химической связи меньше суммы Ван-дер-ваальсовых радиусов атомов, образующих связь. Для измерения энергии связи используют калории, отнесенные к одному молю числу граммов, равному относительной молекулярной массе и деленные на число Авогадро N. Эта величина определяет энергию связи одной молекулы.

Для кислорода она равна 116000 кал моль, для водорода - 103000 кал моль, т.е. меняется незначительно. 1.3. Химические реакции Молекулы находятся в непрерывном движении, сталкиваясь друг с другом. Так как электронные оболочки молекул отталкиваются, то они при столкновениях отскакивают. При сильных соударениях может высвободиться достаточное количество энергии для перегруппировки электронов в столкнувшихся молекулах и формирования нового набора связей, т.е. образовании новых соединений.

Так происходят химические реакции. Обычно стрелка в химическом уравнении обращена в сторону более низкой суммарной энергии связей, т.е. показывает, в какую сторону реакция стремится идти самопроизвольно. Химические реакции - это основа химии. Одни реакции идут в обе стороны, другие только в одну, третьи - вообще не идут. Важно понять, от чего зависит возможность осуществления реакции, перестройки химических связей.

Теория показывает, что реакция возможна, если она сопровождается уменьшением величины свободной энергии F E - TS. Среди всех возможностных соединений реагентов есть образования с разной степенью устойчивости. Менее устойчивое соединение обладает большей свободной энергией, значит, вновь образованная группировка менее устойчива, чем исходные компоненты. Чтобы преодолеть эту разницу в значениях свободной энергии, нужен дополнительный запас энергии, которую в химии называют энергией активации.

Она определяет скорость протекания реакции, но ее бывает недостаточно для преодоления барьера, и реакция не идет. Поэтому стараются снизить величину энергии активации путем введения катализаторов, с помощью которых осуществляются многие технологические процессы. Каталитическими являются и большинство биохимических процессов в живой клетке. Расчет энергии активации проводится в квантовой химии, и он позволяет найти оптимальный путь для осуществления нужных химических реакций.

Одним из крупных достижений ХIХ в. явилось выяснение характера протекания химических реакций. Многие опыты показали, что молекулы обладают разным химическим сродством. Химические реакции могут протекать с разной скоростью, с поглощением или выделением тепла, быть обратимыми или нет и т.д. Развитие квантовой химии позволило рассмотреть на микроуровне протекание реакций, отдельные молекулы и их электронные структуры.

Использование термодинамического подхода, описывающего не отдельные объекты, а систему в целом, позволяет глубже понять тенденции течения реакций. В 1952 г. японский физик-химик Кэнити Фукуи р. 1818 продолжил работу над методом молекулярных орбиталей и пришел к оценке важности переходного состояния, или активированного комплекса, подчеркнув особую роль внешних электронов в течение реакций, в том числе и каталитических. При химических превращениях на первый план выступают реакционная способность, энергетические и энтропийные ее возможности, скорость химической реакции, каталитические и кинетические закономерности. 2.