Хімічний зв’язок

Хімічний зв'язок

Різні сорти атомів взаємодіють найчастіше зовсім по-різному: можна припустити, що ця несхожість обумовлена корінними відмінностями тих «механізмів», які з’єднують атоми один з одним в кристалі кухонної солі або в молекулі вуглекислоти. У чому тут справа? Пояснення було отримано лише в двадцятих роках минулого століття. На жаль, як і всі сучасні відкриття, воно виявилося не дуже-то простим. Треба відразу ж попередити, що наші пояснення природи хімічного зв’язку претендують лише на те, щоб сформувати загальне уявлення про цю делікатну тему.

Чи існують ідеальні (тобто такі, що в чистому вигляді майже не зустрічаються) схеми хімічному зв’язку; іонний і гомеополярний (ковалентний). Слово «іонний» нам знайоме. Всі знають, що атом будь-якого елемента складається з позитивно зарядженого ядра і електронної оболонки. Зазвичай атом електрично нейтральний: заряди рівні за величиною, центри тяжкості ядра і електронної оболонки збігаються. Якщо електронна оболонка втрачає один електрон, то атом перетворюється в позитивний іон; захопивши один електрон, атом стає негативним іоном. Атоми можуть втрачати і по кілька електронів – в цьому випадку їх називають багаторазово іонізованими.

Уявімо собі, що один атом передав іншому один електрон. Обидва атома стали зарядженими, перетворилися в іони. Між цими іонами, заряди яких протилежні за знаком, виникає електричне притягання. Атоми почнуть зближуватися, але на якійсь відстані сили електростатичного притягання зрівноважаться відразливими силами електронних оболонок: атоми як би впираються один в одного. Для даної пари іонів відстань між ядрами атомів, на якій врівноважені сили відштовхування і тяжіння, називається рівноважною міжатомною відстанню. Найлегше віддають електрони атоми лужних металів, найохочіше приєднують електрон атоми галоїдов (фтору, хлору, брому, йоду). Здавалося б, все ясно. Іонний зв’язок пояснений, ми знаємо тепер, які сили з’єднують атоми хлору і натрію в кристалі кухонної солі.

Але короткий роздум показує, що ми просунулися не дуже далеко. По-перше, зовсім не годиться модель іонного зв’язку для молекули, наприклад, кисню. Ніяк не припустити, що при утворенні молекули з двох однакових атомів один перетворюється в негативний, а інший – в позитивний. По-друге, не дуже зрозуміло, що змушує атоми відштовхуватися, коли відстань між ядрами менше рівноважної?

Тут на нашому шляху зустрічається одна з областей дивного світу квантової механіки. Нам доведеться поговорити про принцип Паулі, а для цього зробити короткий кидок в атомну фізику. Почнемо, природно, з самого простого атома – з водню. Навколо ядра атома водню – прогону – «розмазаний», утворюючи хмароподібну оболонку, єдиний електрон. Таке твердження навряд чи здивує читача. Зараз вже ніхто, мабуть, не уявляє собі електрон як просту частку, що обертається навколо ядра атома.

Дослід показує (а квантова механіка пояснює), що електрон в атомі водню може мати лише строго певний набір енергії. Кажуть, що електрон може перебувати на певних енергетичних рівнях. Рівні нумеруються головним квантовим числом n. Чим більше n? тим вище енергетичний рівень, а значить, більшою енергією володіє електрон і більше розмір орбіти, по якій він рухається навколо ядра. Електрон вільного атома водню, що не піддається будь-яким діям, знаходиться на першому (n = 1), найнижчому енергетичному рівні. Атом може поглинути лише такий квант енергії, який відповідає різниці між будь-якими його електронними енергетичними рівнями. Про атом, що поглинув квант, кажуть, що він знаходиться в збудженому стані. Через короткий час атом переходить на більш низький рівень, випромінюючи квант електромагнітного випромінювання – фотон. Залежно від енергії фотонів ми спостерігаємо в атомних спектрах лінії різних кольорів.

Виключне багатство і складність картин, які спостерігаються в атомних спектрах, доводять, що стан електрона в атомі залежить не від одного квантового числа. Квантова механіка внесла повну ясність у це питання.

Виявилося, що при даній енергії орбіта електрона може мати різну форму. Складність форми електронної хмари визначається значенням орбітального квантового числа l. Коли l = 0, то хмара має форму сферичної оболонки, що огортає ядро; щільність хмари плавно наростає в міру віддалення від ядра, на певній відстані досягає максимального значення і потім убуває. Така найпростіша електронна орбіта називається S-орбітою. Коли l зростає, електронна хмара згущується вздовж певних радіальних напрямків і злегка «розшаровується». Якщо уподібнити атом в S-стані кульбабі з його суцільним димчастим віночком навколо центру, то при l = 0 «модель» електронної оболонки буде частково облетілою кульбабою, на якій залишилися лише два пучка парашутів, які перебували на одній прямій. В порядку зростання і ускладнення форми електронні хмари позначаються буквами s, р, d, f.

Помістимо атом в магнітне поле. Ясно, що, як не повертай кулясту S-оболонку по відношенню до силових ліній магнітного поля, її енергія мінятися не буде. Але енергія р, d і інших більш складних за формою оболонок буде змінюватися в залежності від їх орієнтації в магнітному полі. Кути між «пелюстками» електронної оболонки і напрямком магнітного поля не можуть бути довільними, їх дозволені значення визначаються магнітним квантовим числом m. Але і це не все! Дослід і теорія підказують, що електрон володіє певною властивістю, яку по віддаленій аналогії можна порівняти з обертанням навколо власної «осі». Цю властивість так і назвали – «спін», зробивши її від англійського слова «spin» – «крутитися». Спін обумовлює існування у електрона магнітного моменту, тому в магнітному полі квантові властивості електрона дозволяють дві орієнтації спіна – по полю і проти поля.

Тепер ми, нарешті, накопичили достатньо відомостей, щоб сформулювати чудовий закон природи – принцип Паулі, «який регулює» порядок забудови електронних оболонок в більш важких атомах. Формулювання принципу просте: в стані з заданими значеннями чисел n, m, l можуть перебувати лише два електрони з протилежно спрямованими спінами. Два і тільки два! Доводиться визнати, що електрони – великі індивідуалісти: вони можуть «жити» лише в окремих «енергетичних квартирах» і нікого не пускають до себе в гості, крім одного «найближчого родича» – електрона з протилежно спрямованим спіном. Та ж причина обумовлює відштовхування іонів на відстанях, менших рівноважної: електрони одного атома не пускають на свою територію «чужинців» з іншого атома.

Розглядаючи іонний зв’язок, ми вже переконалися, що хімічний зв’язок повинен відповідати мінімальній енергії взаємодії атомів. Для того, щоб пояснити природу хімічного зв’язку в молекулі, наприклад, водню Н3, ми повинні встановити, чи не виникає будь-який виграш в енергії при об’єднанні в молекулу двох атомів водню. Дійсно, в квантовій механіці доводиться, що всяке розширення простору, в якому може рухатися електрон, призводить до зниження енергії. Продовжуючи наше порівняння, зазначимо, що з двох пропонованих природою «енергетичних квартир» електрон, не вагаючись, вибирає велику.

Уявімо собі, що зблизилися два атома водню. У кожного по одному електрону. Принцип Паулі дозволяє двом електронам об’єднати області свого існування, а зазначений нами закон робить таке об’єднання надзвичайно ймовірним. Розмір «енергетичної квартири» для електронів у з’єднаних атомів зростає, енергія знижується; отже, два електрона з протилежно спрямованими спінами забезпечують виникнення хімічного зв’язку між однаковими (і незарядженими) атомами. Нехай до утвореної молекули Н3 наблизився третій атом водню. Принцип Паулі допомагає нам передбачити, що станеться. Третій електрон не буде впущений в зайняту «квартиру»: обидва вільних місця в молекулі водню заповнені двома електронами з протилежними спінами, третій – зайвий.

Два і тільки два електрони утворюють хімічний зв’язок другого типу, який назвали гомеополярним. Важке слово «гомеополярний» має простий сенс. «Гомео» по-грецьки – «однаковий». Гомеополярний зв’язок – це зв’язок, утворений зарядами однакового знака (електронами). Словами «третій – зайвий» ми охарактеризували дуже важливу властивість гомеополярного зв’язку: цей зв’язок «насичується», загальна квартира двох електронів надійно ізольована від решти світу. У цьому разюча відмінність гомеополярного зв’язку від іонного: електричний заряд може взаємодіяти з будь-яким числом сусідів.

Як же збільшити здатність атома до утворення гомеополярних зв’язків, як збільшити його товариськість? Поверхнева відповідь проста: треба додати електрони в його оболонку. Але ось електронна оболонка атома гелію містить два електрони, а всі знають про інертність гелію, – він взагалі не утворює хімічних з’єднань. Озброєні принципом Паулі, ми легко розберемося в причині цього: раз два електрона утворили стійку, відгороджену від зовнішнього світу систему, значить, їх спіни вишикувалися назустріч, два електрона усуспільнили простір, займаний ними навколо ядра; будь-який третій для них – зайвий. А ось літій – дуже товариський елемент і, подібно водню, з винятковою готовністю утворює один гомеополярний зв’язок. Таким чином, принцип Паулі дозволяє пояснити забудову електронних оболонок і чергування властивостей елементів, вибудуваних в таблиці Менделєєва.

Така важлива властивість, як валентність, отримала за допомогою квантової механіки надійне фізичне обґрунтування. Будь-який атом може утворити лише обмежене число гомеополярних зв’язків, це число дорівнює числу електронів з «неспареними» спінами у зовнішній електронній оболонці. У створенні кожної зв’язку бере участь пара електронів з протилежними спінами, що має загальний «життєвий простір».

Автор: Е. Федін.

P. S. Про що ще говорять британські вчені: про те, що подальші наукові дослідження природи хімічних зв’язків насправді веде до розвитку суміжних галузей, наприклад термодинаміка, яка в свою чергу докладається до появи нових корисних речей, наприклад зручних котлів донтерм від компанії Termoplus.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *