МОЛЕКУЛЯРНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ВЕЩЕСТВА. КРИСТАЛЛЫ С ИОННОЙ И МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СВЯЗЬЮ

 

Часто можно услышать: «молекула состоит из атомов» или «в состав молекулы входят атомы», и далее пишется формула органического или неорганического соединения. Например, СН₄, С₂Н₆, Н₂, Н₂О. Общее, что объединяет соединения с молекулярной структурой, – это наличие в них ковалентных связей. В молекулах ковалентная связь образуется в результате перекрывания атомных орбиталей при участии пары электронов с противоположными спинами. В ионных кристаллах действуют силы электростатического притяжения между положительно и отрицательно заряженными ионами. В металлах положительно заряженные ионы удерживаются в узлах кристаллической решетки отрицательно заряженным «электронным газом». Такую функцию выполняют валентные электроны внешней оболочки атомов металлов.

Химическая связь обусловлена электромагнитным взаимодействием, удерживающим систему ядер и электронов в молекулах или кристаллах.

В молекулярных образованиях и кристаллических телах действуют не только силы притяжения противоположно заряженных частей системы (ядро – электрон) и силы отталкивания одинаковых по знаку заряженных частей (ядро – ядро, электрон – электрон). Уменьшение энергии системы при образовании химической связи не может быть описано только электростатической моделью и требует учета так называемых квантовых эффектов системы. С учетом квантовых эффектов силы притяжения и отталкивания уравновешены и обеспечивают устойчивость молекулярной и кристаллической системы.

 

Модели молекул. Ковалентная химическая

Связь

Рассмотрим молекулярные структуры с присущими им ковалентными связями.

Ковалентная связь обусловлена электромагнитным взаимодействием, удерживающим положительно заряженные ядра отрицательным зарядом, сосредоточенным в области перекрывания атомных орбиталей.

В атомах число атомных орбиталей, принимающих участие в образовании ковалентных связей, ограничено, следовательно для образования ковалентных связей характерна насыщаемость. Так, в молекуле Н₂ (Н-Н) одна ковалентная связь между атомами водорода, и невозможно молекулярное образование Н₄ в силу того обстоятельства, что пара электронов, участвующая в образовании ковалентной связи, заняла две s -орбитали, а в соответствии с принципом запрета Паули больше двух электронов с противоположными спинами на перекрывающихся орбиталях быть не может.

В атоме кислорода во внешней электронной оболочке две орбитали содержат по одному неспаренному электрону. Они принимают участие в образовании двух расположенных под некоторым углом друг к другу ковалентных связей в молекуле воды. Следовательно, ковалентные связи характеризуются не только насыщаемостью, но и направленностью.

Молекула – микросистема, состоящая из двух или большего числа ядер и электронов, движущихся в поле ядер, и содержащая ковалентные связи.

На рис. 8 представлены структурные модели молекул.

 

 

Структурные Молекулярные

формулы формулы

Н-Н Н2   F-F F2   H®F HF     H¾ S H2S 900 ½ Н

lсв

lсв

lсв

Рис. 8. Модели молекул H₂ и F₂ с неполярными ковалентными связями и HF и Н₂S с полярными ковалентными связями. В атомах фтора и серы изображены соответственно только внешние 2 р и 3 р -орбитали

Область перекрывания атомных орбиталей несет отрицательный заряд (δ ^-), удерживающий положительно заряженные ядра на расстоянии, соответствующем длине химической связи (l_св).

Длина ковалентной связи – это расстояние между ядрами ковалентно связанных атомов молекулы.

Пара электронов ⇅, участвующая в образовании ковалентной связи (валентные электроны от лат. valentiа – сила), принадлежит обоим атомам.

В молекулах водорода Н₂ и фтора F₂ распределение электронной плотности симметрично относительно ядер. Зона перекрывания атомных орбиталей расположена между ядрами атомов. В них электронная пара в равной степени принадлежит обоим атомам. Такую ковалентную связь называют неполярной. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов таких молекул совпадают. Это молекулы недиполи.

В молекулах фтороводорода HF и сероводорода H₂S зоны перекрывания атомных орбиталей несимметрично расположены между ядрами атомов. Электронная плотность в большей степени смещена к ядру атома фтора в HF и к ядру атома серы в H₂S. Такие ковалентные связи называют полярными.