Химическая связь как одна из форм организации материи.

Химическая связь как одна из форм организации материи.

Содержание
Введение
Химическая связь
Эволюция представлений о природе химической связи
Современные представления о химической связи
Образование химической связи на примере молекулы водорода
Типы химических связей
Ковалентная связь
Ионная связь
Металлическая связь
Водородная связь
Ван-дер-ваальсовы связи
Методы описания химической связи
Метод валентных связей
Метод молекулярных орбиталей
Заключение
Литература

Химическая связь как одна из форм организации материи.

Современная теория химической связи, теория строения молекул и кристаллов основана на квантово-механической теории: молекулы, как и атомы, построены из ядер и электронов, и теория химической связи должна учитывать корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц.В образовании химической связи между атомами главную роль играют электроны, расположенные на внешней оболочке, и, следовательно, наименее прочно связанные с атомным ядром - валентные электроны. Именно поэтому строение валентной электронной конфигурации атомов является определяющим фактором при рассмотрении условий образования химической связи.Наибольшей стабильностью обладают внешние электронные оболочки из двух или восьми электронов, и атомы, не обладающие стабильным набором электроном на внешней оболочке, стремятся его приобрести.Образование такой устойчивой электронной конфигурации может происходить различными способами, в зависимости от этого различают несколько типов химической связи:- ионная- ковалентная- металлическая- водородная-ван-дер-ваальсова.Образование химической связи и заполнение внешней электронной оболочки до устойчивого состояния изменяет энергию системы и является энергетически выгодным процессом, т.к. сопровождается выделением энергии связи.Энергия связи представляет собой разность между суммой внутренних энергий отдельных атомов А и В и энергией молекулы АВ в основных электронных состояниях. Энергия связи отражает меру прочности химической связи.Необходимым условием и главной причиной образования химической связи является делокализация электронов, то есть делокализованный отрицательный заряд электронов, которые находятся в области связывания между ядрами, электростатически связывает положительно заряженные ядра друг с другом. По сути, теории, объясняющие природу химической связи, сводятся к различным способам описания делокализации электронов, то есть к различным математическим методам описания волновых функций молекул.Образование химической связи на примере молекулы водородаНа примере образования молекулы водорода рассмотрим энергетические процессы, происходящие при возникновении химической связи.На рис. 1 отражены электростатические взаимодействия в молекулярном ионе H2+. Пунктирной стрелкой показаны силы взаимного отталкивания ядер, сплошной – силы притяжения ядер к электрону. Их равнодействующие равны векторной сумме сил отталкивания ядер и проекций сил притяжения ядер друг к другу. На рис. а электрон находится в области связывания: ядра притягиваются друг к другу; на рис. б электрон в области разрыхления: ядра отталкиваются друг от друга. Таким образом, пространство вблизи ядер можно разделить на области связывания и разрыхления. Равнодействующая сил, действующих на электрон, направлена в область связывания, что в конечном счете способствует образованию связи. Таким образом, единственный электрон в молекулярном ионе делокализован между ядрами, причем большая часть его плотности сосредоточена в области связывания.В простейшей молекуле H2 в области связывания делокализуются уже два электрона, и энергия связи возрастает чуть меньше, чем в двое (она бы удвоилась, но возникает межэлектронное отталкивание).Рис. 1. Электростатические взаимодействия в молекулярном ионе H2+.Типы химических связейВ современной химии выделяют несколько типов химической связи, различающихся расположением связывающих электронов относительно ядер.Ковалентная связь Это связь, которая осуществляется обобществленной электронной парой, в одинаковой мере принадлежащей обоим атомам.Для неполярной ковалентной связи характерно симметричная делокализация электронов, принимающих участие в образовании связи. Такая связь возникает у атомов с равными значениями электроотрицательности (H2,F2, N2).Полярная ковалентная связь образуется между атомами, различными по природе и электроотрицательности, при этом общая электронная пара будет с большей вероятностью находится в области более электроотрицательного атома (HCl, HF, NH3). При этом у более электроотрицательного атома возникает некоторый избыточный отрицательный заряд, а на менее электроотрицательном – напротив, некоторый избыточный положительный заряд. Между этими зарядами возникает электростатическое взаимодействие, котоое вносит дополнительный в клад в энергию связи.Ковалентная связь может возникать по обменному механизму – когда каждый атом предоставляет один электрон для образования связующей электронной пары, и по донорно-акцепторному механизму, когда один атом (донор) предоставляет электронную пару, а второй (акцептор) – свободную электронную орбиталь. Ковалентная связь обладает направленностью, что позволяет, зная природу химической связи, делать выводы о форме молекул. Для формального квантово-химического описания перестройки орбиталей при образовании химической связи вводится представление о гибридизации орбиталей, т.е. выравнивании их по энергии и форме.В результате гибридизации появляются новые гибридные орбитали ориентированные в пространстве так, чтобы расположенные на них электронные пары (или неспаренные электроны) оказались максимально удалены друг от друга. Это соответствует минимуму энергии межэлектронного отталкивания. Поэтому тип гибридизации определяет геометрию молекулы или иона.Тип гибридизации Геометрическая форма Угол между связями Примеры sp линейная 180o BeCl2 sp2 треугольная 120o BCl3sp3 тетраэдрическая 109,5o CCl4sp3d тригонально-бипирамидальная 90o; 120o PCl5 sp3d2 октаэдрическая 90o SF6 На рис. 2 схематично показаны геометрические формы молекул в зависимости от типа гибридизации.Рис. 2. Геометрические формы молекул в зависимости от типа гибридизации.Ионная связьИонная связь иногда рассматривается как крайний случай полярной ковалентной связи, т.е. она образуется в случае, когда разность электроотрицательностей атомов по шкале Полинга составляет более 1,7, и атомы участвуют в связи как ионы.Ионная связь – это электростатическое притяжение между ионами, образованными в результате практически полного смещения электронной пары к более электроотрицательному атому.Ионная связь характеризуется ненаправленностью и ненасыщаемостью, так как ионы могут притягивать ионы противоположного знака по всем направлениям, и не ограничены количеством молекулярных орбиталей. Однако устойчивость системы достигается при определенной взаимной координации ионов, т.к. в противном случае возникает нестабильность вследствие отталкивания одноименно заряженных ионов. Координация определяется соотношением ионных радиусов: в пределах соотношения 0,41-0,73 - октаэдрическая; 0,73-1,37 - кубическая. Рис. 3. Ионная решетка натрия хлорида (координационное число = 6)Металлическая связьМеталлическая связь осуществляется за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу металла между положительно заряженными ионами. Металлическая связь возникает вследствие того, что металлы обладают небольшим количеством валентных электронов (1-3), которые достаточно слабо связаны с ядрами, и легко отрываются от них. В результате образуется система из положительно заряженных ионов, лоализованных в определенных положениях кристаллической решетки и «электронного газа» - электронов, свободно перемещающихся от одного иона к другому.Такая связь определяет свойства металлов – высокую температуру плавления, способность к отражению света, высокую тепло- и электропроводность, пластичность.Водородная связь Водородная связь – это связь между атомом водорода одной молекулы, имеющим избыточный положительный заряд, и отрицательно заряженным атомом другой молекулы. Связь обусловлена электростатическими и донорно-акцепторными взаимодействиями.Наличие водородных связей определяет такие уникальные свойства воды, как высокая температура кипения, плавления и парообразования, ведь на разрыв водородных связей необходимы дополнительные энергетические затраты.