Развитие теории химической связи кратко
Обновлено: 02.07.2024
центральная проблема современной химии – учение о химической связи. Знание природы взаимодействия атомов в веществе позволяет понять причины многообразия химических соединений строения и механизм их образования.
Одновременно с развитием теории строения атомов развивалась и теория химической связи. В 1800 году Бертолле выдвинул гравитационную теорию, согласно которой химические силы возникают за счет взаимодействия масс, т.е. в результате гравитационного взаимодействия. И хотя эти силы нельзя отрицать, они не являются причиной химического взаимодействия, роль их ничтожно мала по сравнению с другими силами, приводящими к химическому взаимодействию.
В 1812 году шведским ученым Берцелиусом была предложена электрохимическая теория химической связи, согласно которой все атомы обладают положительным и отрицательным полюсами, причем у одних атомов преобладает положительный полюс, а у других – отрицательный. Атомы, у которых преобладают противоположные полюсы, притягиваются друг к другу. К электроположительным были отнесены атомы металлов, электроотрицательными являлись атомы неметаллов. Однако электрохимическая теория противоречила ряду фактов. Так, например, оставалось необъяснимым образование молекул, состоящих из одинаковых атомов (Н2, О2, Cl2 и др.), которые обладали одноименными зарядами. По этой причине теория Берцелиуса перестала пользоваться признанием. Большой вклад в науку химической связи внес выдающий русский химик А.М. Бутлеров. В 1861 году он выдвинул теорию химического строения молекул. Основные положения этой теории сводятся к тому, что все атомы в молекуле соединены друг с другом в определенной последовательности, что валентность атомов стремится к насыщению и определяется числом химических связей, что свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от их химического строения. Бутлеров предложил метод изображения молекул – структурные формулы - и показал, что атомы в молекуле могут влиять друг на друга. Теория А.М. Бутлерова получила дальнейшее подтверждение и развитие и является одним из фундаментальных законов современной химии. Однако в его теории не была вскрыта природа химической связи.
С открытием электрона и созданием в дальнейшем планетарной модели строения атома, а также теории, разработанной Нильсом Бором, возникают новые теории химической связи. Первое электронное представление о химической связи появилось в 1916 году, которое было предложено американским физико - химиком Льюисом. Он высказал предположение о том, что химическая связь имеет электрическую природу и возникает путем образования электронной пары, одновременно принадлежащей двум атомам. Эту связь назвали ковалентной.
В том же 1916 году немецкий ученый Коссель предположил, что при взаимодействии двух атомов один из них отдает, а другой принимает электроны, при этом первый атом превращается в положительно заряженный, а второй - в отрицательно заряженный ионы. Химическая связь осуществляется за счет электростатического притяжения ионов. На основе идей Косселя сформировались представления об ионной связи.
В соответствии с современными представлениями о строении атома можно говорить лишь о вероятности нахождения электронов в поле атомных ядер. Данному пространственному положению атомных ядер отвечает определенное распределение электронной плотности. Выяснить, как распределяется электронная плотность по сути дела и означает описать химическую связь в веществе, но для этого, как известно, необходимо точное решение уравнения Шредингера, что пока осуществимо только для иона водорода (Н2 + ), состоящего из двух протонов и одного электрона, а также для водородоподобных частиц (He2 + , Li2 + ). Для систем с двумя и большим числом электронов приходится применять приближенные решения.
Точность приближенных расчетов оценивается мерой их совпадения с экспериментально полученными сведениями о строении вещества и его свойствах.
К XIX веку человечество знало уже достаточно, чтобы обработать и проанализировать результаты различных исследований о сути природы химической связи. Таким образом, XIX век стал ключевым для развития теории строения химической связи. Различными учеными были предложены несколько концепций, которые бы объясняли природу связи в рамках имеющихся тогда научных объяснений и исследований.
Одной из первых была выдвинута концепция электрохимического дуализма, выработанная Берцелиусом (шведский химик, ему принадлежат таблицы относительных атомных масс около 50 элементов, разработки в области органической химии, открыл церий, торий и селен). В основе теории лежал уже известный в то время закон Кулона, согласно которому модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними. Согласно концепции, все элементы располагаются в ряд в порядке уменьшения их электроотрицательных свойств, причем ряд начинается с кислорода, а не фтора, который к тому времени еще не был выделен в свободном состоянии; завершается ряд щелочными металлами. Наиболее электроотрицательные элементы обладают избыточным минусовым зарядом, а сам атом – полярный. Таким образом, атомы переориентируются в пространстве друг друга противоположными полюсами, при этом заряд частично нейтрализуется. Нейтрализация заряда приводит к выделению избыточной энергии – химическая связь образована. Теория дала начало научного подхода к объяснению явления химической связи, но не была достаточно логично обоснованной, потому что не могла объяснить возникновение сил, которые бы заставили атомы объединяться.
Следующая теория – ионная концепция - появилась уже в начале XX века и принадлежала Косселю. Связана она с открытием электрона Томсона, что способствовало формированию представлений о природе межатомных сил. Было принято считать, что атом – электронейтральная частица, а образование связи между несколькими атомами проходит в два этапа:
- отделение электрона от атома и его переход на другой атом: образование двух заряженных частиц – аниона и катиона;
- объединение двух противоположно заряженных частиц в нейтральную молекулу.
Число отданных/принятых электронов принято считать валентностью.
Концепция электронных пар, разработанная Льюисом, начиналась с объяснения ковалентной связи. Черту в структурных формулах соответствует одной электронной паре, которая является общей для двух атомов, потому как находится в оболочке обоих из них. В рамках концепции были классифицированы виды химической связи, а главным достижением ее было понимание, что не все электроны участвуют в образовании связи, то есть, было понимание всей сложности и многоступенчатости строения электронных уровней.
Последней и использующейся до сих пор была орбитальная теория химической связи, тесно связанная с квантовой химией. Согласно теории, связь образуется в результате электростатических взаимодействий электронных плотностей атомов, а также электростатических взаимодействий электронной плотности одного атома с ядром другого.
Нельзя сказать, что какая-либо из теорий возникновения химической связи была явно ошибочной и ненужной: все они были результатом долгой работы и гениальнейших умозаключений. Эволюция поздних теорий обусловлена как различными открытиями в физике и химии, так и научно-техническим прогрессом. То есть, последние концепции представляют собой результат работы огромного количества талантливых ученых.
Возможно, спустя сотни лет откроется новая правда о химических структурах, и наши теории также канут в лету, но сейчас орбитальная концепция принимается за истинную и используется для различных квантово-химических расчетах.
ХИМИ́ЧЕСКАЯ СВЯЗЬ, взаимодействие атомов, обусловливающее устойчивость молекулы или кристалла как целого. Х. с. определяется взаимодействием между заряженными частицами (ядрами и электронами). Совр. описание Х. с. проводится на основе квантовой механики. При переходе от отд. молекул к веществу, образованному множеством молекул, в силу вступают законы, определяющие статистич. характер поведения таких систем.
Какая сила удерживает вместе атомы в молекуле вещества и почему они не разбегаются в разные стороны? Эта сила называется химической связью, школьники узнают о ней в 8 классе. Еще Ньютон предположил, что она имеет электростатическую природу, но подробнее в этом разобрались лишь в начале ХХ века. Сейчас расскажем, что такое химическая связь и какой она бывает.
О чем эта статья:
Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат (в правом нижнем углу экрана).
Химическая связь и строение вещества
| Химическая связь — это взаимодействие между атомами в молекуле вещества, в ходе которого два электрона (по одному от каждого атома) образуют общую электронную пару либо электрон переходит от одного атома к другому. |
Как понятно из определения химической связи, при взаимодействии двух атомов один из них может притянуть к себе внешние электроны другого. Эта способность называется электроотрицательностью (ЭО). Атом с более высокой электроотрицательностью (ЭО) при образовании химической связи с другим атомом может вызвать смещение к себе общей электронной пары.
Существует несколько систем измерения ЭО, но пользоваться для расчетов можно любой из них. Для образования химической связи важно не конкретное значение ЭО, а разница между этими показателями у двух атомов.
Механизм образования химической связи
Существует два механизма взаимодействия атомов:
обменный — предполагает выделение по одному внешнему электрону от каждого атома и соединение их в общую пару;
донорно-акцепторный — происходит, когда один атом (донор) выделяет два электрона, а второй атом (акцептор) принимает их на свою свободную орбиталь.
Независимо от механизма химическая связь между атомами сопровождается выделением энергии. Чем выше ЭО атомов, т. е. их способность притягивать электроны, тем сильнее и этот энергетический всплеск.
| Энергией связи называют ту энергию, которая выделяется при взаимодействии атомов. Она определяет прочность химической связи и по величине равна усилию, необходимому для ее разрыва. |
Также на прочность влияют следующие показатели:
Длина связи — расстояние между ядрами атомов. С уменьшением этого расстояния растет энергия связи и увеличивается ее прочность.
Кратность связи — количество электронных пар, появившихся при взаимодействии атомов. Чем больше это число, тем выше энергия и, соответственно, прочность связи.
На примере химической связи в молекуле водорода посмотрим, как меняется энергия системы при сокращении расстояния между ядрами атомов. По мере сближения ядер электронные орбитали этих атомов начинают перекрывать друг друга, в итоге появляется общая молекулярная орбиталь. Неспаренные электроны через области перекрывания смещаются от одного атома в сторону другого, возникают общие электронные пары. Все это сопровождается нарастающим выделением энергии. Сближение происходит до тех пор, пока силу притяжения не компенсирует сила отталкивания одноименных зарядов.
Основные типы химических связей
Различают четыре вида связей в химии: ковалентную, ионную, металлическую и водородную. Но в чистом виде они встречаются редко, обычно имеет место наложение нескольких типов химических связей. Например, в молекуле фосфата аммония (NH4)3PO4присутствует одновременно ионная связь между ионами и ковалентная связь внутри ионов.
Также отметим, что при образовании кристалла от типа связи между частицами зависит, какой будет кристаллическая решетка. Если это ковалентная связь — образуется атомная решетка, если водородная — молекулярная решетка, а если ионная или металлическая — соответственно, будет ионная или металлическая решетка. Таком образом, влияя на тип кристаллической решетки, химическая связь определяет и физические свойства вещества: твердость, летучесть, температуру плавления и т. д.
Основные характеристики химической связи:
насыщенность — ограничение по количеству образуемых связей из-за конечного числа неспаренных электронов;
полярность — неравномерная электронная плотность между атомами и смещение общей пары электронов к одному из них;
направленность — ориентация связи в пространстве, расположение орбиталей атомов под определенным углом друг к другу.
Ковалентная связь
Как уже говорилось выше, этот тип связи имеет два механизма образования: обменный и донорно-акцепторный. При обменном механизме объединяются в пару свободные электроны двух атомов, а при донорно-акцепторном — пара электронов одного из атомов смещается к другому на его свободную орбиталь.
| Ковалентная связь — это процесс взаимодействия между атомами с одинаковыми или близкими радиусами, при котором возникает общая электронная пара. Если эта пара принадлежит в равной мере обоим взаимодействующим атомам — это неполярная связь, а если она смещается к одному из них — это полярная связь. |
Как вы помните, сила притяжения электронов определяется электроотрицательностью атома. Если у двух атомов она одинакова, между ними будет неполярная связь, а если один из атомов имеет большую ЭО — к нему сместится общая электронная пара и получится полярная химическая связь.
В зависимости от того, сколько получилось электронных пар, химические связи могут быть одинарными, двойными или тройными.
Ковалентная неполярная связь образуется в молекулах простых веществ, неметаллов с одинаковой ЭО: Cl2, O2, N2, F2 и других.
Посмотрим на схему образования этой химической связи. У атомов водорода есть по одному внешнему электрону, которые и образуют общую пару.
Ковалентная полярная связь характерна для неметаллов с разным уровнем ЭО: HCl, NH3,HBr, H2O, H2S и других.
Посмотрим схему такой связи в молекуле хлороводорода. У водорода имеется один свободный электрон, а у хлора — семь. Таким образом, всего есть два неспаренных электрона, которые соединяются в общую пару. Поскольку в данном случае ЭО выше у хлора, эта пара смещается к нему.
Другой пример — молекула сероводорода H2S. В данном случае мы видим, что каждый атом водорода имеет по одной химической связи, в то время как атом серы — две. Количество связей определяет валентность атома в конкретном соединении, поэтому валентность серы в сероводороде — II.
Число связей, которые могут быть у атома в молекуле вещества, называется валентностью.
Характеристики ковалентной связи:
Ионная связь
Как понятно из названия, данный тип связи основан на взаимном притяжении ионов с противоположными зарядами. Он возможен между веществами с большой разницей ЭО — металлом и неметаллом. Механизм таков: один из атомов отдает свои электроны другому атому и заряжается положительно. Второй атом принимает электроны на свободную орбиталь и получает отрицательный заряд. В результате этого процесса образуются ионы.
| Ионная связь — это такое взаимодействие между атомами в молекуле вещества, итогом которого становится образование и взаимное притяжение ионов. |
Разноименно заряженные ионы стремятся друг к другу за счет кулоновского притяжения, которое одинаково направлено во все стороны. Благодаря этому притяжению образуются ионные кристаллы, в решетке которых заряды ионов чередуются. У каждого иона есть определенное количество ближайших соседей — оно называется координационным числом.
Обычно ионная связь появляется между атомами металла и неметалла в таких соединениях, как NaF, CaCl2, BaO, NaCl, MgF2, RbI и других. Ниже схема ионной связи в молекуле хлорида натрия.
Все соли образованы с помощью ионных связей, поэтому в задачах, где нужно определить тип химической связи в веществах, в качестве подсказки можно использовать таблицу растворимости.
Характеристики ионной связи:
не имеет направленности.
Ковалентная и ионная связь в целом похожи, и одну из них можно рассматривать, как крайнее выражение другой. Но все же между ними есть существенная разница. Сравним эти виды химических связей в таблице.
Характеризуется появлением электронных пар, принадлежащих обоим атомам.
Характеризуется появлением и взаимным притяжением ионов.
Общая пара электронов испытывает притяжение со стороны обоих ядер атомов.
Ионы с противоположными зарядами подвержены кулоновскому притяжению.
Имеет направленность и насыщенность.
Ненасыщенна и не имеет направленности.
Количество связей, образуемых атомом, называется валентностью.
Количество ближайших соседей атома называется координационным числом.
Образуется между неметаллами с одинаковой или не сильно отличающейся ЭО.
Образуется между металлами и неметаллами — веществами со значимо разной ЭО.
Металлическая связь
Свободные электроны мигрируют от одного иона к другому, временно соединяясь с ними и снова отрываясь в свободное плавание. Этот механизм по своей природе имеет сходство с ковалентной связью, но взаимодействие происходит не между отдельными атомами, а в веществе.
Характеристики металлической связи:
Металлическая связь присуща как простым веществам — таким как Na, Ba, Ag, Cu, так и сложным сплавам — например, AlCr2, CuAl11Fe4, Ca2Cu и другим.
Схема металлической связи:
M — металл,
n — число свободных внешних электронов.
К примеру, у железа в чистом виде на внешнем уровне есть два электрона, поэтому его схема металлической связи выглядит так:
Обобщим все полученные знания. Таблица ниже описывает кратко химические связи и строение вещества.
Водородная связь
Данный тип связи в химии стоит отдельно, поскольку он может быть как внутри молекулы, так и между молекулами. Как правило, у неорганических веществ эта связь происходит между молекулами.
| Водородная связь образуется между молекулами, содержащими водород. Точнее, между атомами водорода в этих молекулах и атомами с большей ЭО в других молекулах вещества. |
Объясним подробнее механизм этого вида химической связи. Есть молекулы А и В, содержащие водород. При этом в молекуле А есть электроотрицательные атомы, а в молекуле В водород имеет ковалентную полярную связь с другими электроотрицательными атомами. В этом случае между атомом водорода в молекуле В и электроотрицательным атомом в молекуле А образуется водородная связь.
Такое взаимодействие носит донорно-акцепторный характер. Донором электронов в данном случае выступают электроотрицательные элементы, а акцептором — водород.
Графически водородная связь обозначается тремя точками. Ниже приведена схема такого взаимодействия на примере молекул воды.
В отдельных случаях водородная связь может образоваться внутри молекулы. Это характерно для органических веществ: многоатомных спиртов, углеводов, белковых соединений и т. д.
Характеристики водородной связи:
Кратко о химических связях
Итак, самое главное. Химической связью называют взаимодействие атомов, причиной которого является стремление системы приобрести устойчивое состояние. Во время взаимодействия свободные внешние электроны атомов объединяются в пары либо внешний электрон одного атома переходит к другому.
Образование химической связи сопровождается выделением энергии. Эта энергия растет с увеличением количества образованных электронных пар и с сокращением расстояния между ядрами атомов.
Основные виды химических связей: ковалентная (полярная и неполярная), ионная, металлическая и водородная. В отличие от всех остальных водородная ближе к молекулярным связям, поскольку может быть как внутри молекулы, так и между разными молекулами.
Как определить тип химической связи:
Ковалентная полярная связь образуется в молекулах неметаллов между атомами со сходной ЭО.
Ковалентная неполярная связь имеет место между атомами с разной ЭО.
Ионная связь ведет к образованию и взаимному притяжению ионов. Она происходит между атомами металла и неметалла.
Водородная связь появляется при условии, что есть атом с высокой ЭО и атом водорода, связанный с другой электроотрицательной частицей ковалентной связью.
Химическая связь и строение молекулы: типом химической связи определяется кристаллическая решетка вещества: ионная, металлическая, атомная или молекулярная.
Читайте также: