Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Июль » 10 » 7. Валентность и природа химической связи
15:17
7. Валентность и природа химической связи

Количество электронов на внешнем (верхнем) электронном слое любого атома равно его максимальной валентности, то есть максимальному количеству химических связей, которые может образовать атом с другими атомами. Химическая связь – это образование общей системы электронной плотности 2-х (или более) атомов, при перекрытии их валентных орбиталей, с целью образования энергетически выгодной, общей системы электронной плотности.

Разберем по порядку, валентные электроны – электроны, участвующие в образовании химической связи, как правило, по одному электрону от двух атомов образующих химическую связь. Что же делает электроны валентными, во-первых, они должны быть расположены на внешнем электронном слое атома, дабы быть доступны второму атому, участвующему в образовании химической связи. Кроме того, верхние электроны обладают наибольшей энергией и им проще куда-то "сорваться”. Во-вторых, они должны располагаться по одному на электронной орбитали (из этого условия есть исключения, но о них позже).

Таким образом, когда мы имеем два атома, у каждого имеется по, например одному не спаренному (один на орбитали, то есть, нет пары – соседа) электрону. Простейший пример – два атома водорода. В этом случае представим сближение этих атомов под действием, например, броуновского движения. При контакте атомов происходит перекрытие их электронных орбиталей, то есть получается объем пространства на границе двух, в данном примере, сферических орбиталей, являющийся одновременно объемом и первого и второго атомов. Электрон первого атома при движении оказывается в этой области перекрытия, при этом на него одновременно действуют силы притяжения двух ядер, расположенных на одинаковом расстоянии от него и имеющих равный заряд, в данном случае 1+. Куда же он свернет?. Так как атомы одного элемента, следовательно, условия пребывания электрона на орбиталях обоих атомов одинаковы, то вероятность 50/50, то есть может свернуть к любому.

При этом ясно, что два электрона вполне могут ужиться на одной орбитали и первого и второго атома, но так как эти орбитали равнозначны, то каждый электрон будет проводить на орбитали первого атома столько же времени, как и у второго.

Ну и что? – скажете Вы. Но, если мы вспомним про энтропию, то есть свободу движения элементарных частиц, то станет ясно, что электронам вдвоем удобнее занимать две орбитали двух атомов, чем каждому по одной. Хотя бы из-за большего объема получившейся общей системы электронной плотности (в данном случае, в составе 2-х s-орбиталей). При этом нужно учесть, что электрон, находящийся в центре области перекрытия двух орбиталей, на линии соединяющей ядра двух атомов, имеет потенциальную энергию относительно этих ядер, равную нулю. Ибо, притяжение двух ядер компенсируют друг друга. Вспомним, что любая система стремится к минимуму энергии и максимуму хаоса, и становится ясно, чем выгодно такое обобщение электронной плотности. При этом, оба электрона, проходя через область перекрытия будут стремится "растянуть удовольствие”, то есть задержаться в положении где можно "расслабиться”.

Куда же при этом денется излишек энергии электрона на это мгновение. Ясно, что ядра двух атомов будут отталкиваться друг от друга, но ядра желают быть поближе к противоположно заряженным электронам. А в области перекрытия как раз повышается электронная плотность, то есть вероятность нахождения электрона в данный момент времени. С краев получившейся системы электроны, напротив испытывают одновременное притяжение обоих ядер с одного направления, просто одно ядро ближе, другое дальше. Таким образом, ядра стремятся притягиваться к области с высокой электронной плотностью в области перекрытия электронных облаков, при этом, в меньшей степени притягиваясь в противоположных направлениях, туда, где электронная плотность стала "пожиже”.

Ясно, что межъядерное расстояние сократилось. Так как ядра являются одноименно заряженными системами, то они будут центрами отталкивания друг для друга. И при сближении будет расти потенциальная энергия одного ядра относительно другого. На это и будут расходоваться излишки энергии валентных электронов в моменты прохождения очередного электрона через область перекрытия валентных орбиталей.

Изменение формы и размера электронных орбиталей верхнего электронного слоя атома, при образовании химической связи, носит название – гибридизация электронных орбиталей.

Следует учесть, что при образовании системы общей электронной плотности, из двух валентных орбиталей атомов, объем получившейся системы почти в два раза больше каждой из двух исходных орбиталей. А в процессе сближения ядер атомов (следовательно, самих атомов, так как в ядре почти вся масса атома), две орбитали частично сливаются в одну, при этом объем общей орбитальной системы снижается. Объем орбитали пропорционален среднему расстоянию от ядра до электрона, значит, пропорционален потенциальной энергии электрона на данной орбитали. Так как, объем общей системы электронной плотности уменьшился, значит и потенциальная энергия обоих электронов несколько снизилась.

Ни что и ни когда не исчезает в никуда и не возникает из неоткуда – это закон. Так, где же потерянная энергия?, она выделяется в виде теплового эффекта реакции. То есть, уходит в окружающую среду в виде тепла, света или пр. Если же дать извне системе столько же или больше энергии, то процесс пойдет вспять и химическая связь разорвется. Это используют, например, при плазменной сварке и резке металлов в восстановительной (без доступа кислорода) атмосфере. При этом, нагревают водород электрической энергией (через Вольтову дугу) в толстостенном медном сопле и направляя струю ионизированного (переведенного в атомарное состояние, перегретого, разбитого на отдельные атомы) водорода (температура 2000-4000оС) на деталь, производят резку или сварку.

Количество энергии, выделяющееся при образовании химической связи, называется – энергия химической связи. Она измеряется в Дж на 1 моль. Один моль – количество вещества, равное 6,02.1023 штук; если это газ, то занимающее при комнатной температуре и атмосферном давлении объем в 22,4 литра. Объем моля еще называют – число Авогадро. Под штуками можно подразумевать: атомы, молекулы, ионы, электроны и пр. Объем из них имеют только молекулярные газы и одноатомные инертные газы.

Как стало понятно из сказанного выше, атомарное состояние вещества может быть реализовано только при высокой температуре. Исключение – благородные газы, они вообще не склонны образовывать любые химические связи. В остальных случаях, при комнатных условиях, все атомы образуют химические связи друг с другом.

Молекула – система из 2-х и более атомов, связанная химическими связями (в частности – ковалентными, но до этого мы еще дойдем).

Категория: Фундамент | Просмотров: 1506 | Добавил: Chemadm | Теги: валентный угол, Химическая связь, строение вещества | Рейтинг: 4.8/20
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]