Министерство образования и науки Украины

Реферат

по теме

«Химическая связь между атомами и природа ее происхождения»

Выполнила

Донецк 2008 г

Содержание

Введение

Электрическая природа химической связи

Теория химического строения Бутлерова

Явление изомерии

Ковалентная и ионная связи

Образование химической связи на примере водорода

Метод валентных связей

Волновые функции

Список иcпользуемой литературы

Введение

Сегодня ни для кого не будет секретом, что при взаимодействии атомов между ними может возникать химическая связь, приводящая к образованию устойчивой многоатомной системы -- молекулы, молекулярного иона, кристалла. Чем прочнее химическая связь, тем больше энергии нужно затратить для ее разрыва; поэтому энергия разрыва связи служит мерой ее прочности. Энергия разрыва связи всегда положительна: в противном случае химическая связь самопроизвольно разрывалась бы с выделением энергии. Из этого следует, что при образовании химической связи энергия всегда выделяется за счет уменьшения потенциальной энергии системы взаимодействующих электронов и ядер *. Поэтому потенциальная энергия образующейся частицы (молекулы, кристалла) всегда меньше, чем суммарная потенциальная энергия исходных свободных атомов. Таким образом, условием образования химической связи является уменьшение потенциальной энергии системы взаимодействующих атомов.

Химическая связь возникает благодаря взаимодействию электрических полей, создаваемых электронами и ядрами атомов, участвующих в образовании молекулы или кристалла. Познание характера этого взаимодействия оказалось возможным на основе представлений о строении атома и о корпускулярно-волновых свойствах электрона.

Электрическая природа химической связи

Идея об электрической природе химической связи была высказана в 1807 году выдающимся английским физиком Г. Дэви, который предположил, что молекулы образуются благодаря электростатическому притяжению разноименно заряженных атомов. Эта идея была развита известным шведским химиком И.Я. Берцелиусом, разработавшим в 1812--1818 гг. электрохимическую теорию химической связи. Согласно этой теории, все атомы обладают положительным и отрицательным полюсами, причем у одних атомов преобладает положительный полюс («электроположительные» атомы), а у других -- отрицательный («электроотрицательные» атомы). Атомы, у которых преобладают противоположные полюса, притягиваются друг к другу: например, электроположительные атомы кальция притягиваются к электроотрицательным атомам кислорода, образуя молекулу оксида кальция СаО. В молекуле СаО электрические заряды атомов скомпенсированы не полностью: молекула обладает избыточным положительным зарядом и при взаимодействии с другой молекулой, имеющей не скомпенсированный отрицательный заряд (например, с молекулой СО₂), будет притягиваться к ней. В результате образуется более сложная молекула СаО-СО₂ (т. е. СаСОз).

Удачно объясняя некоторые химические явления, электрохимическая теория противоречила, однако, в ряду фактов. Так, с точки зрения этой теории было необъяснимым существование молекул, образованных одинаковыми атомами (Н₂, О₂, Сl₂ и т. п.), обладающими, согласно Берцелиусу, одноименными зарядами. С развитием химии обнаруживалось все большее число подобных противоречий; поэтому теория Берцелиуса вскоре перестала пользоваться признанием. При всей своей незрелости теория Дэ -- Берцелиуса содержала рациональную мысль об электрическом происхождении сил, обусловливающих образование химической связи.

Теория химического строения Бутлерова

Крупным шагом в развитии представлений о строении молекул явилась теория химического строения, выдвинутая в 186Г г.- выдающимся русским химиком А. М. Бутлеровым.

Основу теории, разработанной А.М. Бутлеровым, составляют следующие положения:

· Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности. Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами.

· Соединение атомов происходит в соответствии с их валентностью.

· Свойства веществ зависят не только от их состава, но и от их «химического строения», т. е. от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния. Наиболее сильно влияют друг на друга атомы, непосредственно связанные между собой.

Бутлеров был убежден в возможности выразить формулами строение молекул химических соединений и притом сделать это путем изучения их химических превращений.

В 1861 году Бутлеров выступает на съезде немецких естествоиспытателей и врачей с докладом «О химическом строении веществ». Этот доклад открыл целую эпоху в химии. Вернувшись в Казань, Бутлеров детально развивает новое учение.

В 1862--1863 гг. Бутлеров пишет «Введение к полному изучению органической химии», в котором располагает весь фактический материал органической химии на основе строго научной классификации, вытекающей из теории химического строения. Принятая в этой книге классификация органических соединений сохранилась в своих главных чертах до наших дней.

Бутлеров воспитал блестящую плеяду учеников, продолжавших развивать его идеи. Из его школы вышли такие выдающиеся ученые, как В.В. Марковников, А.Е. Фаворский и многие другие,

Таким образом, согласно теории Бутлерова свойства веществ определяются, не только их качественным и количественным составом, как считали раньше, но и внутренней структурой молекул, определенным порядком соединения между собой атомов, образующих молекулу. Эту внутреннюю структуру Бутлеров называл «химическим строением».

Особенно важной была идея Бутлерова о том, что атомы, соединяясь в определенной последовательности в соответствии с их валентностью, взаимно влияют друг на друга таким образом, что частично изменяется их собственная природа, их «химическое содержание». Так, свойства атома водорода существенно меняются в зависимости от того, соединен ли он с атомом хлора (в молекуле НСl), кислорода (в молекуле Н₂О) или азота (в молекуле NH₃). В первом случае в водных растворах атом водорода сравни-тельно легко отщепляется от молекулы НСl в виде иона Н+, что и обусловливает кислотные свойства хлороводорода, от молекулы воды ион водорода отщепляется с гораздо большим трудом, так что кислотные свойства выражены у воды весьма слабо; наконец, для молекулы аммиака отщепление иона водорода еще менее характерно -- аммиак ведет себя как основание. Особенно многообразно проявляется взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений.

Учение Бутлерова позволило ориентироваться в огромном разнообразии веществ, дало возможность определять строение молекул на основании изучения их химических свойств, предугадывать свойства веществ по строению их молекул, намечать пути синтеза различных соединений.

Из теории Бутлерова вытекает возможность изображать строение молекул в виде структурных формул, в которых указана последовательность соединения атомов друг с, другом, а каждая черточка, соединяющая атомы, обозначает единицу валентности. Так, строение молекул хлоро водорода или соляной кислоты (НСl) и хлорноватистой (НС1О) кислоты выражается следующими структурными формула:

Н С1 и Н О С1

Эти формулы прежде всего показывают, что только в молекуле НС1 атом водорода непосредственно связан с атомом хлора, тогда как в молекулах НС1О он соединен не с хлором, а с атомом кислорода.

Структурные формулы позволяют, например, понять причину различий в некоторых свойствах ортофосфорной (Н₃РО₄), фосфористой (Н₃РОз) и фосфорноватистой (Н₃РО₂) кислот. Молекулы каждой из этих кислот содержат по три атома водорода. Приведем их структурные формулы:

Н -- О Н--О--Р = О фосфорноватистая кислота

Н-- О ортофосфорная кислота

Н -- О Н--О--Р = О

Н-- О фосфорноватистая кислота

Как видно, в молекуле ортофосфорной кислоты каждый атом водорода соединен с атомом кислорода. Все эти атомы водорода способны замещаться атомами металлов: поэтому Н₃РО₄ трехосновна. В молекуле фосфористой кислоты только два атома водорода непосредственно связаны с атомами кислорода и¹способны замещаться атомами металлов: эта кислота двухосновна. В молекуле же фосфорноватистой кислоты с атомом кислорода связан лишь один атом водорода, что и обусловливает ее одноосновность.

Изображение химического строения молекул с помощью структурных формул особенно важно при изучении органических веществ.

Структурные формулы отражают лишь последовательность соединения атомов друг с другом, а не взаимное расположение атомов в пространстве. Изображение химического строения с помощью структурных формул допустимо только для веществ, состоящих из молекул. Между тем многие вещества состоят не из молекул, а из атомов (например, карбид кремния SiC) или имеют ионное строение (например, хлорид натрия NaCl). Структура подобных веществ определяется типом их кристаллическо состояния.

Явление изомерии

Теория химического строения объяснила явление изомерии, которое заключается в существовании соединений, обладающих одним и тем же качественным и количественным составом, но разными свойствами. Такие соединения были названы изомерами.

Явление изомерии будет подробно рассмотрено при изучении Органических соединений, среди которых оно очень распространено. Следует, однако, иметь в виду, что изомерия присуща и неорганическим веществам. Так, еще в 1824 году Либих установил, что серебряные соли гремучей кислоты AgONC и циаовой кислоты AgNCO имеют одинаковый состав, тогда как свой-ства этих веществ сильно различаются.

Ковалентная и ионная связи

Разрабатывая теорию химического строения, Бутлеров не ставил перед собой задачу выяснения природы химической связи, "справедливо считая, что химия в то время еще не была готова к решению этой задачи. Действительно, необходимой предпосылкой создания теории химической связи было выяснение строения атома. Лишь после того, как стали известны основные черты электронной структуры атомов, появилась возможность для разработки такой теории. В 1916 году американский физико-химик Дж. Льюис высказал предположение, что химическая связь возникает путем образования электронной пары, одновременно принадлежащей двум атомам; эта идея послужила исходным пунктом для разработки современной теории ковалентной связи. В том же 1916 году немецкий ученый В. 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 ион; взаимное электростатическое притяжение образовавшихся ионов и приводит к образованию устойчивого соединения. Дальнейшее развитие идей Косселя привело к созданию современных представлений ионной связи.

Известно, что устойчивая молекула может образоваться только при условии уменьшения потенциальной энергии системы взаимодействующих атомов. Для описания состояния электронов в молекуле следовало бы составить уравнение Шредиигера для соответствующей системы Электронов и атомных ядер и найти его решение, отвечающее минимальной энергии системы. Но, так как для многоэлектронных систем точное решение уравнения Шредингера получить не удалось. Поэтому квантово-механическое описание строения молекул получают, как и в случае многоэлектронных атомов, лишь на основе приближенных решений уравнения Шредингера.

Образование химической связи на примере водорода

Впервые подобный приближенный расчет был произведен в 1927 году, В. Гейтлером и Ф. Лондоном для молекулы водорода. Эти авторы сначала рассмотрели систему из двух атомов водорода» находящихся на большом расстоянии друг от друга. При этом условии можно учитывать только взаимодействие каждого электрона со «своим» ядром, а всеми остальными взаимо-действиями (взаимное .отталкивание ядер, притяжение каждого электрона к «чужому» ядру взаимодействием между электронами) можно пренебречь. Тогда оказывается возможным выразить зависимость волновой функции рассматриваемой системы от координат и тем самым определить плотность общего электронного облака в любой точке пространства, стоит заметить, что плотность электронного облака пропорциональна квадрату волновой функции.

Далее Гейтлер. и Лондон предположили, что найденная ими зависимость волновой функции от координат сохраняется и при сближении атомов водорода. При этом, однако, необходимо уже учитывать и те взаимодействия (между ядрами, между электро-нами и т. д.), которыми при значительном удалении атомов друг от друга можно было пренебрегать. Эти дополнительные взаимодействия рассматриваются как некоторые поправки («возмущения») к исходному состоянию электронов в свободных атомах водорода. В результате Гейтлер и Лондон получили уравнения, позволяющие найти, зависимость потенциальной энергии Еп. системы, состоящей из двух атомов водорода, от расстояния между ядрами этих атомов. При этом оказалось, что результаты расчета зависят от того, одинаковы или противоположны по знаку спины взаимодействующих электронов. При совпадающем направлении спинов сближение атомов приводит к непрерывному возрастанию энергии системы. В этом случае для сближения атомов требуется затрата энергии, так что такой процесс оказывается энергетически невыгодным и химическая связь между атомами не возникает. При противоположно направленных спинах сближение атомов до некоторого расстояния сопровождается уменьшением энергии системы. При котором система обладает наименьшей потенциальной энергией, т. е. находится в наиболее устойчивом состоянии, дальнейшее сближение атомов вновь приводит к возрастанию энергии. Но это и означает, что в случае противоположно направленных спинов атомных электронов образуется молекула Н₂ -- устойчивая система из двух атомов водорода, находящихся на определенном расстоянии друг от друга.

Образование химической связи между атомами водорода является результатом взаимопроникновения («перекрывания») электронных облаков, происходящего при сближении взаимодействующих атомов. Вследствие такого взаимопроникновения плотность отрицательного электрического заряда _vb межъядерном пространстве возрастает. Положительно заряженные ядра атомов притягиваются к области перекрывания электронных облаков. Это притяжение преобладает над взаимным отталкиванием одноименно заряженных электронов, так что в результате образуется устойчивая молекула.

Полученные Гейтлером и Лондоном (и впоследствии уточненные другими исследователями) расчетные значения межядерного расстояния и энергии связи в молекуле водорода оказались близки к экспериментально найденным значениям. Это означало, что приближения, «использованные Гейтлером и Лондоном при решении уравнения Шредингера, не вносят существенных ошибок и могут считаться оправданными. Таким образом, исследование Гейтлера и Лондона позволяло сделать вывод, что химическая связь в молекуле водорода осуществляется путем образования пары электронов с противоположно направленными спинами, принадлежащей обоим атомам. Такая двух электронная двух центровая связь называется ковалентной связью.

Метод валентных связей

Представления о механизме образования химической связи, развитые Гейтлером и Лондоном на примере молекулы водорода, были распространены и на более сложные молекулы. Разработанная на этой основе теория химической связи получила название метода валентных связей или метод ВС. Метод ВС дал теоретическое объяснение важнейших свойств ковалентной связи, позволил понять строение большого числа молекул. Хотя, как мы увидим ниже, этот метод не оказался универсальным и в ряде случаев не в состоянии правильно описать структуру и свойства молекул, все же он сыграл большую роль в разработке квантово-механической теории химической связи и не потерял своего значения до настоящего времени.

В основе метода ВС лежат следующие положения:

· Ковалентная химическая связь образуется двумя электронами с противоположно направленными спинами, причем эта электронная пара принадлежит двум атомам.

· Комбинации таких двух электронных двух центровых связей, отражающие электронную структуру молекулы, получили название валентных схем.

· Ковалентная связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака.

Волновые функции

При оценке степени перекрывания электронных облаков следует учитывать знаки волновых функций электронов. Поскольку электронам присущи волновые свойства, то при взаимодействии двух электронов образуется общая «электронная волна». Там, где амплитуды исходных волн имеют одинаковые знаки, при их сложении возникает суммарная волна с амплитудой, имеющей большее абсолютное значение, чем исходные амплитуды. Напротив, там, где амплитуды исходных волн имеют различные знаки, при их сложении возникает суммарная волна с амплитудой имеющей меньшее абсолютное значение волны будут «гасить» друг друга. Но, как уже указывалось, роль амплитуды электронной волны играет волновая функция. Поэтому в тех областях пространства, где волновые функции взаимодействующих электронов имеют одинаковые знаки, абсолютное значение волновой функции образующегося общего электронного облака будет больше, чем значения функции изолированных атомов. При этом будет возрастать и величина плотности электронного облака. Здесь происходит положительное перекрывание электронных облаков, которое приводит к взаимному притяжению ядер. В тех же областях пространства, где знаки волновых функций взаимодействующих электронов противоположны, абсолютное значение суммарной волновой функции будет меньше, чем у изолированных атомов. Здесь величина, а значит и плотность электронного облака, будет уменьшаться. В этом случае имеет место отрицательное перекрывание, приводящее к взаимному отталкиванию ядер.

Для наглядного изображения валентных схем обычно пользуются следующим способом. Электроны, находящиеся во внешнем электронном слое, обозначают точками, располагаемыми вокруг химического символа атома. Общие для двух атомов электроны показывают точками, помещаемыми между их химическими символами, двойная или тройная связь обозначается соответственно двумя или тремя парами общих точек. Такой принцип наглядного обозначения принят для того, чтобы можно можно наглядно увидеть структуру связи.

Список используемой литературы

1. «Как образуется химическая связь и протекают химические реакции» В.Ю.Ганкин, Ю.В.Ганкин, 2007г.

2. «Химическая связь» Маррел Дж., Кеттл С., Теддер Дж., 2001г.

3. «Общая и неорганическая химия» Н. В. Коровин, 2007г.

4. «Химическая связь» Бердетт Д., 2008г.