Природа химической связи
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «МОГИЛЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А.А. КУЛЕШОВА»
Факультет экономики и права
Кафедра "Экспериментальная и теоретическая физика"
РЕФЕРАТ
по дисциплине: «Основы современного естествознания»
на тему: «Природа химической связи»
Работу выполнила:
студентка 1-го курса
группы П-115
специальность: Правоведение
специализация: Хозяйственное право/Судебно-прокурорско-
тел.:8-044-720-33-02
Проверил:
ст. преподаватель
Могилев, 2012
Содержание:
Введение…………………………………………………………
Теория химического строения Бутлерова……………………………..2
Химическая связь…………………………………............
Основные типы химической связи……………………………………...5
Ионная связь……………………………………………………………..
Ковалентная связь………………………………………………………..6
Ковалентная неполярная связь………………………………………….6
Ковалентная полярная связь…………………………………………….6
Металлическая связь……………………………………………………..6
Водородная связь…………………………………………………………7
Заключение……………………………………………………
Литература……………………………………………………
1
Введение.
С античных времен ученые высказывали различные предположения о том, что представляют собой окружающие их вещества. Некоторые из этих вопросов и поныне являются основными в понимании структуры веществ и природы химических явлений.
Основными являются следующие вопросы:
1. Что представляет собой мельчайшая частица вещества?
2. Что удерживает эти частицы друг возле друга?
3. При каких обстоятельствах происходит разрыв химических связей в процессе превращения веществ?
Впервые о природе химической связи заговорили примерно 150 лет тому назад, когда химики пришли к заключению, что молекула состоит из связанных друг с другом атомов. В первую очередь нужно было понять, не является ли сила, удерживающая атомы в молекуле, некоей третьей силой, отличной от хорошо известных с середины XVII века электрической и гравитационной сил. И. Ньютон предположил, что химическая связь имеет электростатическую природу. Роль электростатических взаимодействий в образовании химической связи была подтверждена экспериментально в начале XIX века.
Теория химического строения Бутлерова
Термин «химическое строение» впервые ввёл А. М. Бутлеров в 1861 году. Также он заложил основы теории химического строения. Главные положения этой теории следующие:
Атомы в молекулах соединены друг с другом в определённой 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 «химического строения», то есть от порядка соединения атомов в молекулах
3
и характера их взаимного влияния. Наиболее сильно влияют друг на друга атомы, непосредственно связанные между собой.
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 затрачивать для ее разрыва; поэтому энергия разрыва связи служит мерой ее прочности. Энергия разрыва связи всегда положительна: в противном случае химическая связь самопроизвольно разрывавалась 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.
Идея об электрической природе химической связи была высказана в 1807 г. 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.
Резерфорд установил, что положительный заряд атома сосредоточен в его ядре. Помощники Резерфорда (Г.Гейгер и Э.Марсден) бомбардировали α-частицами (которые имели высокую кинетическую энергию, заряд +2, массу 4) тонкую золотую (атомный вес 197) фольгу. Более 99,99% всех α-частиц
пролетали сквозь золотую пластину (фольгу), не изменяя прямолинейной траектории полета, которая была видна по засвеченному следу (треку) на фотографической пластинке.
Траектория примерно 0,01% α-частиц за фольгой отклонялась от прямой. Еще меньшее количество их оказывалось отброшенным от фольги почти на 180°, т.е. назад. Такое поведение α-частиц свидетельствовало о том, что они наталкивались на какую-то весьма малую, но более массивную, чем сами α-частицы, преграду, тоже имеющую положительный заряд. Эту преграду Резерфорд назвал ядром атома, в котором сосредоточена практически вся масса атома и весь положительный заряд. Резерфорд предположил, что ядро атома окружено электронами, заряд и масса которых были к тому времени
4
уже известны благодаря работам Д. Томсона.
Электроны притягиваются к ядру за счет электростатических сил взаимодействия. Однако электроны не падают на ядро, поскольку вращаются вокруг него с определенной скоростью, т.е. имеют определенную кинетическую энергию.
В простейшем виде доказательство теоремы состоит в следующем: электрон находится на определенном расстоянии от ядра потому, так как обе силы – центростремительная и центробежная – уравновешивают друг друга, т.е. Fцс = Fцб.
Из механики известно, что если вращать шарик, закрепленный на веревке, вокруг фиксированного центра, то шарик под действием центробежной силы будет стремиться оторваться от центра, но противоположно направленная сила, действующая вдоль веревки (Fцс), будет удерживать шарик на орбите.
Другими словами, в условиях равновесия действующих электрических и
механических сил кинетическая энергия системы равна половине абсолютного значения ее потенциальной энергии. Полная энергия системы (в данном случае энергия атома Еа), равна сумме потенциальной и кинетической энергий. (Сама энергия не может быть отрицательной. Здесь речь идет о соотношении потенциальной и кинетической энергии
системы.)
Энергия связи − это энергия, которую нужно затратить на разрыв этой связи. Таким образом, если в начале процесса имеется молекула, а в его конце − атомы, то затрачиваемая на осуществление этого процесса энергия должна, по крайней мере, равняться разнице между энергиями
электронов в молекуле и в атомах, составляющих эту молекулу. В молекуле наступает равновесие, когда силы притяжения между разноименно заряженными частицами уравновешиваются силами отталкивания частиц с одноименным зарядом.
Химическая связь
Химическая связь - это взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в молекулы, ионы, радикалы, кристаллы.
Основным условием образования химической связи является понижение полной энергии многоатомной системы по сравнению с энергией изолированных атомов. Более точно химическую связь можно определить как взаимодействие атомов, обусловленное перекрыванием их электронных облаков, и сопровождается уменьшением полной энергии системы.
Основными параметрами химической связи является её длина, прочность и валентные углы, характеризующие строение веществ, которые образованы из
5
отдельных атомов.
Длина связи - это межъядерное расстояние между химическими связанными атомами.
Угол между воображаемыми прямыми, проходящими через ядра химически связанных атомов, называется валентным углом. Энергия связи - энергия, необходимая для разрыва такой связи.
Основные типы химической связи
Атомы могут соединяться друг с другом с образованием как простых, так и сложных веществ. При этом образуются различного типа химические связи: ионная, ковалентная (неполярная и полярная), металлическая и водородная. Одно из наиболее существенных свойств атомов элементов, определяющих, какая связь образуется между ними – ионная или ковалентная, - это электроотрицательность, т.е. способность атомов в соединении притягивать к себе электроны.
Условную количественную оценку электроотрицательности дает шкала относительных электроотрицательностей.
В периодах наблюдается общая тенденция роста электроотрица-тельности элементов, а в группах – их падения. Элементы по электроот-рицательностям располагают в ряд, на основании которого можно сравнить электроотрицательности элементов, находящихся в разных периодах.
Тип химической связи зависит от того, насколько велика разность значений электроотрицательностей соединяющихся атомов элементов. Чем больше отличаются по электроотрицательности атомы элементов, образующих связь, тем химическая связь полярнее. Провести резкую границу между типами химических связей нельзя. В большинстве соединений тип химической связи оказывается промежуточным; например, сильнополярная ковалентная химическая связь близка к ионной связи. В зависимости от того, к какому из предельных случаев ближе по своему характеру химическая связь, ее относят либо к ионной, либо к ковалентной полярной связи.
Ионная связь
Ионная связь — прочная химическая связь, образующаяся между атомами с большой разностью (1,7 по шкале Полинга) электроотрицательностей, при которой общая электронная пара полностью переходит к атому с большей электроотрицательностью.Это притяжение ионов как разноименно заряженных тел.
Ионная связь образуется при взаимодействии атомов, которые резко отличаются друг от друга по электроотрицательности. Например,
6
типичные металлы литий(Li), натрий(Na), калий(K), кальций (Ca), стронций(Sr), барий(Ba) образуют ионную связь с типичными неметаллами, в основном с галогенами.
Кроме галогенидов щелочных металлов, ионная связь также образуется в таких соединениях, как щелочи и соли. Например, в гидроксиде натрия(NaOH) и сульфате натрия(Na2SO4) ионные связи существуют только между атомами натрия и кислорода (остальные связи – ковалентные полярные).
Ковалентная связь
Ковалентная связь (атомная связь, гомеополярная связь) — химическая связь, образованная перекрытием (обобществлением) пары валентных электронных облаков. Обеспечивающие связь электронные облака (электроны) называются общей электронной парой.
Ковалентная неполярная связь
При взаимодействии атомов с одинаковой электроотрица-тельностью образуются молекулы с ковалентной неполярной связью. Такая связь существует в молекулах следующих простых веществ: H2, F2, Cl2, O2, N2. Химические связи в этих газах образованы посредством общих электронных пар, т.е. при перекрывании соответствующих электронных облаков, обусловленном электронно-ядерным взаимодействием, которые осуществляет при сближении атомов.
Составляя электронные формулы веществ, следует помнить, что каждая общая электронная пара – это условное изображение повышенной электронной плотности, возникающей в результате перекрывания соответствующих электронных облаков.
Ковалентная полярная связь
При взаимодействии атомов, значение электроотрецательностей которых отличаются, но не резко, происходит смещение общей электронной пары к более электроотрицательному атому. Это наиболее распространенный тип химической связи, которой встречается как в неорганических, так и органических соединениях.
К ковалентным связям в полной мере относятся и те связи, которые образованы по донорно-акцепторному механизму, например в ионах гидроксония и амония.
Металическая связь
Металлическая связь — химическая связь, обусловленная наличием относительно свободных электронов. Характерна как для чистых металлов, так и их сплавов и интерметаллических соединений.
Сущность процесса образования металлической связи состоит в
7
следующем: атомы металлов легко отдают валентные электроны и превращаются в положительные заряженные ионы. Относительно свобо-дные электроны, оторвавшиеся от атома, перемещаются между положи-тельными ионами металлов. Между ними возникает металлическая связь, т. е. Электроны как бы цементируют положительные ионы кристаллической решетки металлов.
Водородная связь
Связь, которая образуется между атомов водорода одной молекулы и атомом сильно электроотрицательного элемента (O, N, F) другой молекулы, называется водородной связью.
Может возникнуть вопрос: почему именно водород образует такую специфическую химическую связь?
Это объясняется тем, что атомный радиус водорода очень мал. Кроме того, при смещении или полной отдаче своего единственного электрона водород приобретает сравнительно высокий положительный заряд, за счет которого водород одной молекулы взаимодействует с атомами электроотрицательных элементов, имеющих частичный отрицательный заряд, выходящий в состав других молекул (HF, H2O, NH3).
Рассмотрим некоторые примеры. Обычно мы изображаем состав воды химической формулой H2O. Однако это не совсем точно. Правильнее было бы состав воды обозначать формулой (H2O)n, где n = 2,3,4 и т. д. Это объясняется тем, что отдельные молекулы воды связаны между собой посредством водородных связей.
Водородную связь принято обозначать точками. Она гораздо более слабая, чем ионная или ковалентная связь, но более сильная, чем обычное межмолекулярное взаимодействие.
Наличие водородных связей объясняет увеличения объема воды при понижении температуры. Это связано с тем, что при понижении температуры происходит укрепление молекул и поэтому уменьшается плотность их «упаковки».
При изучении органической химии возникал и такой вопрос: почему температуры кипения спиртов гораздо выше, чем соответствующих углеводородов? Объясняется это тем, что между молекулами спиртов тоже образуются водородные связи.
Повышение температуры кипения спиртов происходит также вследствие укрупнения их молекул.
Водородная связь характерна и для многих других органических соединений (фенолов, карбоновых кислот и др.). Из курсов органической химии и общей биологии вам известно, что наличием водородной связи объясняется вторичная структура белков, строение двойной спирали ДНК, т. е. явление комплиментарности.
8
Заключение
Образование химической связи является результатом уменьшения электронной энергии в системе, которое связано с особыми свойствами атомных систем.
Первый существенный вклад в энергию связи обусловлен концентрацией
положительного заряда в молекуле. Этот вклад имеет электрическую природу. В атомных системах, в отличие от электростатических, где заряды неподвижны относительно друг друга, энергия увеличивается с возрастанием положительного заряда ядра пропорциональна квадрату заряда ядра.
Второй вклад в энергию связи, также имеющий электрическую природу, обусловлен с родством атомов к электрону.
Для разрушения молекулы на атомы необходимо сообщить энергию, равную разнице энергий электронов в атомах и молекуле плюс дополнительную энергию, приблизительно равную первой, расходуемую на компенсацию снижения электронной энтропии, имеющего место в процессе разрушения связи.
Простую модель двухатомной связи можно представить в виде двух ядер, между которыми в плоскости, перпендикулярной оси, соединяющей ядра, вращаются связывающие электроны. При этом предполагается, что между заряженными частицами (электроны, ядра) действуют только электростатические силы. Если соединяющиеся в молекулу атомы имеют одинаковые потенциалы ионизации, плоскость вращения электронов располагается на равном расстоянии от каждого из ядер. Если же
потенциалы ионизации различны, то плоскость вращения электронной пары смещается в сторону атома с большим ППИ. Адекватность модели реальной картине подтверждена совпадением результатов расчета и эксперимента.
На основе этой модели найдены следующие теоретические зависимости:
• зависимость ковалентной неполярной и полярной связи от первого
9
потенциала ионизации соединяющихся атомов;
• зависимость энергии связи от числа связывающих электронов;
• зависимость длины связи от ППИ реагирующих атомов;
• зависимость дипольного момента молекулы от ППИ взаимодействующих атомов.
10
Литература:
1. Краснов К. С. Молекулы и химическая связь. 2-ое изд. М: Высшая школа, 1984. 295 с.
2.Маррел Дж., Кеттл С., Теддер Дж. Химическая связь. М.: Мир, 1980. 384 с.
3.Пиментел Г., Спратли Р. Как квантовая механика объясняет химическую связь. Пер. с англ. М.: Мир, 1973. 332 с.
4.Рюденберг К. Физическая природа химической связи. М.: Мир, 1964. 164 c.
5. Татевский В. М. Строение молекул. М.: Химия, 1977. 512 с (Глава VIII. «Проблема химической связи в квантовой механике»)
6. Татевский В. М. Квантовая механика и теория строения молекул. М.: Изд-во МГУ, 1965. 162 с.
7.Яцимирский К. Б., Яцимирский В. К. Химическая связь. Киев: Вища школа, 1975. 304 c.
