Joomla Software solutions Template

Payday loan

ХИМИЧНА ВРЪЗКА

В продължение на столетия природата на химичното взаимодействие е била предмет на размисли от страна на много поколения учени и философи. В опитите си да разгадаят тайната на химичното сродство учените са на­правили немалко важни наблюдения, създали са множество интересни хипотези, но значите­лен успех е постигнат едва със създаването на квантовата механика през 1925 - 1927 г.

Според квантовомеханичната теория на определено разположение на атомните ядра в пространството отговаря някакво разпределение на елек­тронната плътност. При образу­ване на молекулата външните (валентните) орбитали на атомите се припокриват и между ядрата се образува някакъв отрицателен заряд, наречен заряд на припокри­ване.  Наличието на значителна електронна плътност в между ядреното про­странство като че ли „циментира" молекула­та, притяга ядрата към областта на припокри­ване на валентните орбитали на взаимодействащите атоми.

Това, което е прието да се нарича химична връзка, представлява взаимодействието на атомите, чиято енергия е в границите от няколко десетки до около 1000 kJ/mol. Така например в молекулата Cs₂ енергията на връзката е около 42 kJ/mol, докато в N₂ тя е от порядъка на 940 kJ/mol. Енергетич­ният критерий обаче още не дава възможност да се отличи химичната връзка от другите видове взаимодействия (например от между -молекулното взаимодействие, енергията на което може да достигне 80 kJ/mol). По-правилно е да се определи химичната връзка, като се излезе от електронния строеж на съединенията, защото от цялото разнообразие от типове химично взаимодействие неговата характерна черта се състои в преустройване на електронните' обвивки на свързващите се атоми. В резултат на това преустройване става колективизация (обобщаване) на ва­лентните електрони на атомите и пренос на заряда (ако се образува връзка между различни атоми). При това обобщаването на валентните елек­трони е особено важно, тъй като образуване­то на химична връзка само чрез пренос на заряда от един атом към друг без колекти­визация на електроните в природата не се осъществява. С други думи, чисто йонни връзки не съществуват, при все че йонни­ят модел на химично взаимодействие в много случаи (например за описване на силно полярни съединения, които се намират в твърдо състояние, NaCl, КВr и т. н.) се оказва доста полезен и правилно отразява основните свойства на веществата.

И така, под химична връзка следва да се разбира ковалентна връзка, т. е. между атомно взаимодействие, което е съпроводено от преустройване на валентни­те електронни обвивки на атомите и от колективизация на електроните.

Това опреде­ление позволява да се обхванат практически всички случаи на химична връзка.

Обикновено ковалентната връзка се осъ­ществява от локализирана (съсредоточена) между двата атома двойка електрони с противоположно насочени (антипаралелни) спинове (спинът отразява собствения магни­тен момент на елементарните частици), т.е. представлява двуелектронна двуцентрова връзка (под „център" се разбира атомното ядро), съкратено (2е^- - 2ц)-връзка. Да раз­гледаме сега по-подробно ковалентната връз­ка в молекулата на водорода (фиг. 3). При образуването и атомните ls-орбитали се припокриват и в пространството между ядрата се появява някаква допълнителна електронна плътност — отрицателен заряд на припокриването, който свързва положи­телно заредените ядра.

Фиг. 3. Изменение на енергията на водородните

атоми при образуване на молекула водород

Приближаването на ядрата може да става дотогава, докато силите на между ядреното отблъскване не се уравно­весят от силите на привличане на ядрата към заряда на припокриването. Между­ ядреното разстояние, което отго­варя на равенството на посочените сили, се нарича равновесно (R_равн.) и се приема за дължина на химичната връзка. Енергията на системата на взаимодействие между атомите с приближаването им от­начало спада, като достига минимум при R = R_равн , а след това нараства, което свидетелства за преобладаването на силите на отблъскване между ядрата при прибли­жаването им на по-малко разстояние от равновесното R_равн.

Вижда се, че всяка валентна чертичка в класическата структурна химична формула като правило (но невинаги!) отговаря на една (2е^-—2ц)-връзка. Поради това броят на химичните връзки, които образува даде­ният атом, зависи на първо място от количе­ството на наличните в него единични електро­ни. Твърде често обаче атомът в молекулата образува повече връзки, отколкото са налич­ните му единични електрони в основното (невъзбуденото) състояние. Как се образуват тези допълнителни връзки? Като пример да вземем съединенията на въглерода. В огромния брой случаи въглеродът образува четири ковалентни връзки, макар в основно­то му състояние да има само два единични електрона. Но ако след като се изразходва известно количество енергия, атомът се възбуди така, че един от 2s-електроните премине на свободната 2р-орбитала, броят на единичните електрони става равен на четири.

Енергетичните загуби за преминаването на атома във валентното състояние се ком­пенсират от енергията, която се отделя при образуването на химичните връзки. Разбира се, ако енергията на възбуждане E_вал. е много голяма, тя не може да се по­крие от образуването на допълнителните връзки. Така например при атомите на Cu, Ag и Аu E_вал., която отговаря на прехода на d-електрон на свободната р-орбитала (n—l)d¹⁰ns¹ (п-1)d⁹ ns^lnp^l, е доста голяма и е максимално при среброто. Въз­можно е с това обстоятелство да е свързан фактът, че за Ag е най-характерно едно валентното състояние, докато за Сu и Аu най-характерно е съответно дву- и тривалентното състояние.

Преходът на атома във възбудено състоя­ние не е единственият начин за увеличаване на валентните му възможности. Допълнител­на (2е^- - 2ц) -връзка може да се образува също, когато единият партньор (донор) предостави наличната у него „готова" елек­тронна двойка, а другият (акцептор) — свободната електронна празнина (орбитала). Получаващата се полярна ковалентна връзка се нарича донорно-акцепторна. Добре известен пример е образуването на амониевия йон:

H⁺ +    :NH₃ NH.

Акцептор на                     донор на

електрони                     електрони

Необходимо е да се обърне внимание, че донорно-акцепторната връзка се различава от обикновената ковалентна връзка само по своя произход, поради което при разглеж­дането на „готова" молекула няма смисъл да се прави разлика между двата типа връз­ки.

Валентните възможности на атома могат да се увеличават също чрез образуване на (2е^-- 3ц) -връзки. В този случай два електро­на при движението си обхващат три ядра, както е например в молекулата на диборана В₂Н₆ (фиг. 4), където мостовата връзка В — Н — В се осъществява от два електрона.

Фиг. 4. Химичната връзка в молекулата на диборана (символът „х" означава електроните на борните атоми, символът „ . ” - електроните на водород­ните атоми)

В молекулата В₅Н₉ има (6е^-- 5ц)-връзка, която обхваща всичките пет атома на бора. С други думи, движението на електроните невинаги е ограничено в областта само на двете ядра; електроните могат да бъдат делокализирани в цялата молекула или в отделен  неин фрагмент.

Независимо от разнообразието на типовете химични връзки може да се отделят три общи и най-важни техни свойства. Преди всичко валентните възможности на атомите на всеки елемент, т. е. способността да образуват химични връзки, са строго фиксирани и ограничени, благодарение на което молекулите имат определен състав. Другояче казано, химичното взаимодействие има свойството насищане. Това е първо­то важно свойство на химичната връзка. Така например има неутрални молекули Н₂О, Н₂О₂, радикали ОН, О₂Н, но няма съединения със състав Н₃О₅, Н₇О₁₂ и т. н.

Второто важно свойство на химичната връзка е нейната насоченост. Тъй като атомните орбитали имат различна форма и ориентация в пространството, взаимното им припокриване може да се осъществява по различни начини. В зависи­мост от симетрията на образуващата се орбитала на припокриване се различават - и -връзки. При образуването на -връзка областта  на  припокриване  се намира по линията на връзката (фиг. 5а); -връзките възникват при странично припокриване на атомните орбитали (фиг. 56).

Пространстве­ната насоченост на химичните връзки опреде­ля геометрията на молекулата. Често пъти обаче химичните връзки се образуват не от „чисти" атомни орбитали, характерни за изолираните атоми, а от „смесени" или хибридизирани атомни орбитали. При хибри­дизацията на n различни по форма и енергия орбитали първоначалната им енергия, форма и ориентация се променят и се образуват n нови орбитали с еднаква форма и енергия, които са ориентирани в пространството така, че отблъскването между тях да бъде минимално. С други думи, при хибридизация­та на атомните орбитали става „изравняване­то" им по форма и енергия.

И накрая третото важно свойство на химичната връзка е нейната полярност. Връзката между атомите на различни елемен­ти винаги в една или друга степен е полярна, тъй като различните атоми имат различна електроотрицателност. Например в молеку­лата на хлороводорода електронната плът­ност е изместена към атома на хлора, защото неговата електроотрицателност е по-голяма от тази на водорода. В резултат на това на атомите се създават ефективни частични заряди Н^+0,18Сl^-0,18.

Разгледаните по-горе понятия и представи лежат в основата на съвременната теория за химичната връзка. Днес строежът на молекулите и на твърдите тела (посредством методите на квантовата механика) се изуча­ват от квантовата химия, която представлява един от най-интересните и бурно развиващи се клонове на науката.