3.4.7. Представления о химических связях

Химическая связь является основным понятием, используемым при описании на языке химии. Она используется для обозначения ситуации, при которой между двумя атомами возникает эффективная сила притяже­ния, связанная с понижающей энергию системы перестройкой конфигура­ции электронных облаков, обусловленной электрическими взаимодейст­виями и квантово-механическими эффектами.

Химическая связь – это совокупность сил, связывающих атомы или молекулы друг с другом в новые устойчивые структуры.

Формальной численной характеристикой способности атомов участ­вовать в образовании химических связей является валентность (способ­ность атомов элемента соединяться с другими атомами в определенных соотношениях).

Другой численной характеристикой химических свойств элементов является степень окисления – эффективный электрический заряд, локали­зующийся вблизи атомов в результате перестройки электронных облаков.

Использование концепции валентности и степени окисления в боль­шинстве случаев позволяет решить задачу о строении молекул, не прибе­гая к квантовым расчетам. При образовании молекул атомы с почти запол­ненными внешними оболочками склонны отбирать недостающие элек­троны у других атомов, входящих в молекулу, проявляя окислительные свойства.

Атомы же с небольшим числом валентных электронов склонны их отдавать и являются восстановителями. При смещении вдоль химиче­ского периода (вдоль строки таблицы Менделеева) происходит постепен­ный переход свойств элементов от восстановительных к окислительным.

Возникновение химических связей – процесс самопроизвольный. С точки зрения термодинамики причиной образования химической связи между частицами является уменьшение энергии системы. Следовательно, образование химической связи всегда сопровождается выделением энер­гии, а разрыв химической связи всегда требует затраты энергии.

Различают три основных модели химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Для ковалентной модели химической связи требуется обобществлен­ная пара электронов (общая электронная пара), которая образуется за счет спаривания двух электронов с противоположными спинами, принадлежа­щих разным атомам (например, молекула Н₂). Если оба партнера по связи притягивают пару электронов с одинаковой силой и электронное облако находится между ними более или менее симметрично, образуется ковалентная неполярная связь. Если ковалентная связь образуется между ато­мами разных элементов, то электронное облако оказывается смещенным к более электроотрицательному атому. (Электроотрицательность – способ­ность атома элемента притягивать к себе общую электронную пару.) Такая связь называется ковалентной полярной (например, молекула HCl).

При ионной связи один атом отдает другому один или несколько электронов, при этом каждый атом становится обладателем стабильного набора электронов. Например, у атома хлора для стабильности в электрон­ной оболочке недостает одного электрона, а у атома натрия на внешнем уровне – только один электрон, который он легко теряет. Этот электрон примет к себе атом хлора, и тогда у натрия протонов станет больше, чем электронов. Атомы натрия и хлора, превратившись в положительно и отри­цательно заряженные ионы, соответственно притянутся друг к другу (за счет электростатических сил), образуя в твердом состоянии поваренную соль.

Металлическая связь возникает между атомами металлов, характер­ной особенностью которых является небольшое число электронов на внешнем уровне, слабо удерживаемых ядром. При образовании металличе­ского кристалла валентные электроны отрываются от атомов, и металл пред­ставляет собой остов из положительно заряженных ионов, между которыми движутся свободные электроны (так называемый электронный газ).