Ковалентная связь

Для объяснения ковалентной связи необходим квантово – механический подход, т.е. требуется решение волнового уравнения Шредингера. Точное решение волнового уравнения возможно только для одноэлектронной системы, для многоэлектронных систем получают приближенные значения.

Впервые подобный приближенный расчет был сделан в 1927 году Гейтлером и Лондоном для молекулы водорода. Эти авторы рассмотрели сначала систему из двух атомов водорода, находящихся на большом расстоянии друг от друга. При этом условии можно учитывать только силы взаимодействия электрона со своим ядром. Оказалось возможным выразить зависимость волновой функции рассматриваемой системы от координат и, тем самым, определить плотность общего электронного облака в любой точке пространства. Они получили уравнения, позволяющие найти зависимость потенциальной энергии Е системы, состоящей из двух атомов водорода, от расстояния r между ядрами этих атомов. При совпадающем направлении спинов сближение атомов приводит к непрерывному возрастанию энергии системы. В этом случае для сближения атомов требуется затрата энергии, химическая связь не возникает (а), (см. рис.). При противоположно направленных спинах сближение атомов до некоторого расстояния r_o сопровождается уменьшением энергии системы. При r=r_o система обладает наименьшей потенциальной энергией, т.е. находится в наиболее устойчивом состоянии; а уже дальнейшее сближение приводит к возрастанию энергии (см. рис. б).

Это означает, что при противоположно направленных спинах атомных электронов образуется молекула Н₂ – устойчивая система их двух атомов водорода, находящихся на определенном r друг от друга.

Образование химической связи осуществляется за счет взаимопроникновения («перекрывания») электронных облаков, происходящего при сближении атомов. Вследствии такого взаимопроникновения плотность отрицательного электрического заряда в межъядерном пространстве возрастает. (+) заряженные ядра атомов притягиваются к области перекрывания электронных облаков. Это притяжение преобладает над отталкиванием (-) заряженных электронов и образуется устойчивая молекула. Таким образом, исследования Гейтлера и Лондона позволяло сделать вывод, что химическая связь в молекуле водорода осуществляется за счет образования пары электронов с противоположно направленными спинами, принадлежащей обоим атомам. Процесс «спаривания» электронов можно изобразить следующей схемой:

Волнистые линии показывают, что в молекуле водорода каждый электрон занимает место в квантовой ячейке обоих атомов, т.е. движется в силовом поле, образованном двумя силовыми центрами – ядрами атомов водорода.

Такая двухэлектронная двухцентровая связь называется ковалентной. Теория, разработанная на этой основе, получила название метода валентных связей. (ВС)

В основе метода ВС лежат следующие положения:

1) ковалентная связь образуется двумя электронами с противоположно направленными спинами, причем эта электронная пара принадлежит двум атомам.

2) Ковалентная связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются электронные облака.

Схема:

Н• + •Н Н Н

Точками обозначается электрон.

N• + N• N N

Образуется в молекуле азота тройная связь. Число общих электронных пар, связывающих атом данного элемента с другими атомами называется ковалентностью элемента. У N₂=3; y H₂=2; y O₂=2; y CH₄ и CO₂ = 4.

Если двухатомная молекула состоит из атомов одного элемента как, например, молекулы H₂, N₂, Cl₂ и т.д., то каждое электронное облако, образованное общей парой электронов и осуществляющее ковалентную связь, распределяется в пространстве симметрично относительно ядер обоих атомов. В подобном случае ковалентная связь называется неполярной или голиополярной. Если же молекула состоит из двух атомов разных элементов, то общее электронное облако смещено в сторону одного из атомов, так что возникает асимметрия в распределении заряда. В таких случаях говорят о полярной или гетерогенной связи. Для оценки способности атома оттягивать к себе общую электронную пару пользуются величиной электроотрицательности. Чем больше электроотрицательность атома, тем сильнее он притягивает общую электронную пару, т.е. общее электронное облако смещается к более электроотрицательному элементу.

Следовательно, HCl является полярной молекулой, т.е. Cl приобретает избыточный отрицательный заряд, а водород избыточный положительный заряд. Такие системы называются электрическими диполями. Напряженность этого поля пропорциональна дипольному моменту μ, представляющему произведение абсолютного значения заряда (электрона)? q на расстояние l между центрами (+) и (-) зарядов в молекуле.

Дипольный момент служит мерой количественной полярности молекулы. Измеряется в дебаях Д. .

Например: Д_HCl=1,04; Д_HBr=0,79; Д_HJ=0,3Д.

Также можете прочитать: