3. Химическая связь (Пособие)

3. Химическая связь – свойство электронного окружения атомных ядерВ 1916 году американский физико-химик Гилберт Льюис(Gilbert Newton Lewis; 1875- 1946) предположил, что в основе химической связи лежит образование электронных пар.Это предположение противоречило известному кулоновскому отталкиванию одинаковозаряженных электронов, но позже было объяснено наличием у электронов фундаментальнойхарактеристики – спина.Модели Льюиса и сейчас используются при объяснении свойств химической связи.В двухатомных молекулах, образованных атомами одного элемента, между атомамисуществует ковалентная неполярная связь.....Примеры: водород Н2 Н : Нхлор Cl2: Cl : Cl :....Между атомами разных неметаллов образуется, как правило, ковалентная полярная связь.Электронная пара связи смещена к одному из атомов...e- →Пример: хлороводород HCl H : Cl :δ+ H−−Cl δ..Ионная связь основана на электростатическом притяжении ионов.

Ионную связьобразуют типичные металлы с типичными неметаллами. Электроны переходят от металла кнеметаллу. При этом образующийся отрицательный ион (анион) стремится получитьокружение из целого числа электронных пар или четного числа электронов. Во многихслучаях действует «правило 8 электронов»: образующийся анион стремится дополнить свойвнешний электронный уровень до 8 электронов. «Правило 8 электронов» отражено в раннеймодели Льюиса – «кубических атомах» (1902 г.).Кубические модели Льюиса для реакции натрия с хлором 2 Na + Cl2 = 2 NaCl(Гильберт Льюис, 1902 г., Рабочая книга по технической химии, 1932 г.)Примеры ионной связи (специально обозначены заряды ионов):Хлорид натрия Na+Cl-, бромид бария Ba2+Br2-, сульфид калия K+2S2-,оксид магния Mg2+O2- .Формулу ионного соединения можно предсказать на основе «правила 8 электронов» иположения элементов в Периодической системе. Число электронов на внешнем уровнеэлементов первых трех периодов соответствует номеру группы, в которой находитсяэлемент.

Для других периодов такое соответствие тоже наблюдается, но не у всех элементов.В хлориде натрия содержатся натрий – элемент 1-й группы и хлор – элемент 7-йгруппы. У натрия на внешнем уровне единственный электрон, у хлора – 7 электронов. Хлорулегко дополнить внешний уровень до 8 электронов за счет внешнего электрона натрия,поэтому эти элементы образуют соединение в соотношении 1 : 1.7В бромиде бария содержится барий – элемент 2-й группы и бром – элемент 7-йгруппы. У бария на внешнем уровне два электрона, у брома – 7 электронов. Брому легкодополнить внешний уровень до 8 электронов за счет внешних электронов бария, поэтому всоединении на один ион бария (2+) приходится два иона брома (-).В сульфиде калия содержится калий – элемент 1-й группы и сера – элемент 6-йгруппы.

Сера дополняет свой внешний уровень до 8 электронов за счет внешних электроновкалия, поэтому в соединении на один ион серы (2-) приходится два иона калия (+).Оксид магния состоит из элемента 2-й группы магния и элемента 6-й группыкислорода. Магний отдает два своих внешних электрона, а кислород принимает 2 электрона,дополняя свой внешний уровень до 8 электронов. Элементы в результате образуютсоединение в соотношении 1 : 1.Большинство элементов Периодической системы относится к металлам (см.Приложение 1). Главная особенность металлов – относительно слабая связь внешнихэлектронов с атомом. Эти внешние электроны становятся общими для нескольких рядомрасположенных атомов металла.

Поэтому металлы можно условно представить как облакоэлектронов, внутри которого находится кристаллическая решетка из атомов. Связь междумногими атомами, осуществляемая общими свободными электронами, называетсяметаллической связью.Именно общими свободными электронами в кристаллической решетке объясняютсятакие свойства металлов, как высокая электро- и теплопроводность, блеск, ковкость ипластичность.Дополнение к разделу 3. Квантовая механика.В 30-е годы ХХ века была создана квантовая механика – совокупность расчетныхметодов, позволяющих теоретически предсказывать строение молекул. В настоящее времяквантовомеханические расчеты возможны почти на любом из компьютеров и сталинеотъемлемым методом современных химических исследований.Рассмотрим основные положения квантовой модели вещества. Электроннуюструктуру атомов и строение молекул находят при решении сложного уравненияШредингера.

Основными коэффициентами решения, впервые выполненного для атомаводорода, являются квантовые числа. Квантовые числа описывают математическиефункции, которые называют орбиталями.Следует помнить, что орбитали не являются физическими объектами. В то жевремя традиционно про электрон, поведение которого описывается какой-либо функциейорбиталью, говорят, что он занимает эту орбиталь или находится на данной орбитали.Разумеется, материальный объект – электрон не может находиться «на» математическойфункции; функция только описывает алгоритм вычисления электронной плотности в даннойточке пространства.Главное квантовое число nопределяет энергию электронов на данном уровне.Допустимые значения: n = 1, 2, 3, 4, 5, ...Буквенные обозначенияK L M N O ...Электроны в атоме располагаются послойно, последовательно удаляющимися от ядраслоями.

На каждом таком слое, называемом главным энергетическим уровнем, может бытьдля данного значения n до 2n2 электронов. В Периодической таблице номера периодовсоответствуют номеру внешнего главного энергетического уровня. Для первых трехпериодов короткопериодного варианта таблицы количество электронов на внешнем уровнесоответствует номеру группы.8Орбитальное квантовое число lопределяет значение орбитального момента количества движения электрона на данномуровне.Допустимые значения для данного l: 0, 1, 2, 3, ... , n-1Буквенные обозначенияs p d f …Орбитальное магнитное квантовое число mlопределяет значение составляющей проекции момента количества движения электрона вмагнитном поле на выделенное направление в пространстве.Допустимые значения ml для данного l: -l, ...

-2, -1, 0, +1, +2, ... +lСпиновое квантовое число msпринимает для электрона только два значения: +1/2 и -1/2Электроны с противоположным значением спина притягиваются, преодолеваяэлектростатическое отталкивание, и образуют электронные пары. Спин являетсяневыводимым фундаментальным свойством элементарных частиц вещества. К такимневыводимым свойствам материи относятся гравитация и электричество.Кроме взаимосвязи квантовых чисел, при построении квантовой системы необходимособлюдать принцип Паули (Вольфганг Паули, 1924 ): в одном атоме не может быть двухэлектронов с совпадающими значениями всех четырех квантовых чисел.Попробуем "создать" электронные оболочки атомов на основе квантовых чисел ипринципа Паули.Минимальное значение главного квантового числа n равно 1.

Ему соответствуеттолько одно значение орбитального числа l, равное 0 (s-орбиталь). Сферическая симметрия sорбиталей выражается в том, что при l = 0 в магнитном поле существует только однаорбиталь с ms = 0. На этой орбитали может находиться один электрон с любым значениемспина (водород) или два электрона с противоположными значениями спинов (гелий). Такимобразом, при значении n = 1 на данном уровне может существовать не более двухэлектронов.Теперь начнем заполнять орбитали с n = 2 (на первом уровне уже есть два электрона).Величине n = 2 соответствуют два значения орбитального числа: 0 (s-орбиталь) и 1 (pорбиталь). При l = 0 существует одна орбиталь, при l = 1 – три орбитали (со значениями ms: 1, 0, +1). На каждой из орбиталей может находиться не более двух электронов, так чтозначению n = 2 соответствует максимум 8 электронов. Общее число электронов на уровне сданным n можно вычислить, таким образом, по формуле 2n2.nlmlms200±1/2-1±1/210±1/2+1±1/2Обозначим каждую орбиталь квадратной ячейкой, электроны – противоположнонаправленными стрелками.

Для дальнейшего "строительства" электронных оболочек атомовнеобходимо использовать еще одно правило, сформулированное в 1927 г. ФридрихомХундом (Гундом): наиболее устойчивы при данном l состояния с наибольшим суммарнымспином, т.е. количество заполненных орбиталей на данном подуровне должно бытьмаксимальным (по одному электрону на орбиталь).9Начало периодической таблицы будет выглядеть следующим образом:Рисунок 1 Схема заполнения электронами внешнего уровняэлементов 1-го и 2-го периодов.Продолжая "строительство", можно дойти до начала третьего периода, однако затемпридется вводить как постулат порядок заполнения d и f орбиталей.Из схемы, построенной на основании минимальных допущений, видно, что квантовыеобъекты (атомы химических элементов) будут по разному относиться к процессам отдачи ипринятия электронов.

Объекты He и Ne будут к этим процессам безразличны из-заполностью занятой электронной оболочки. Объект F скорее всего будет активно приниматьнедостающий электрон, а объект Li скорее будет склонен отдать электрон.Интересно отметить, что понятия о четырех принципах построения материальногомира и пятом, их связывающем, известны не менее 25 веков. В Древней Греции и ДревнемКитае философы говорили о четырех первопринципах (не путать с физическими объектами):“огонь”, “воздух”, “вода”, “земля”. Связывающим принципом в Китае было “дерево”, вГреции – “квинтэссенция” (пятая сущность). Взаимосвязь “пятого элемента” с остальнымичетырьмя продемонстрирована в фантастическом фильме с тем же названием.10.