ГЛАВА 29. МОЛЕКУЛА

§ 196. Химическая связь

Молекула — это устойчивая постройка атомов. Каждый атом молекулы занимает в ней устойчивое положение. Смещение атома в любую сторону влечет за собой увеличение потенциальной энергии молекулы. Сближение атома с его соседями вызывает силы

отталкивания, отдаление — силы притяжения. Каждый атом молекулы и молекула в целом находятся в потенциальной яме.

Характер потенциальной кривой любого атома молекулы довольно очевиден (рис. 223). Поскольку невозможно сблизить атомы на нулевое расстояние, то кривая потенциальной энергии в функции расстояния атома от его соседей идет круто вверх при малых расстояниях. В сторону увеличения расстояния кривая идет от положения равновесия (дна ямы) много медленнее. Далее возможны варианты: потенциальная энергия на больших расстояниях может быть меньше и больше дна потенциальной ямы, яма может иметь и не иметь четко выраженный борт. Энергия молекулы может быть больше и меньше суммы энергий отдельных атомов (частей молекулы). В зависимости от этого при объединении атомов в молекулу будет выделяться или поглощаться тепло (см. подробнее § 215).

Рис. 223.

Атом, находящийся в потенциальной яме, связан со своими соседями. В чем причина этой связи? Существуют ли разные типы связей? Можно предложить две идеальные схемы химической связи: ионную и гомеополярную. В подавляющем числе интересующих химию случаев осуществляется либо один из этих типов связи, либо промежуточный случай, в котором обе идеальные схемы сосуществуют.

Если один атом способен передать другому один или несколько электронов, то между образовавшимися ионами возникнет электрическое притяжение. Это и есть ионная связь. Силы электростатического притяжения уравновесятся отталкиванием электронных оболочек атомов на некотором характерном для этой пары ионов межатомном расстоянии.

Для того чтобы один атом передал другому свои электроны, нужно, чтобы этот процесс был сам по себе энергетически выгоден. Тогда простое стремление перехода на наиболее низкий энергетический уровень и будет причиной передачи электрона.

Отрыв электрона от нейтрального атома всегда требует затраты энергии, равной, как мы знаем (см. стр. 455), произведению заряда электрона на ионизационный потенциал. Следовательно, образование положительного иона всегда связано с затратой работы. Напротив, образование отрицательного иона, т. е. присоединение электрона к нейтральному атому, может быть связано с выделением энергии. Правда, это касается лишь первого электрона. Присоединение второго электрона к однократно отрицательному атомному иону из-за электрического отталкивания потребует затраты работы.

Чтобы ионная связь осуществилась, необходимо, чтобы энергия отрыва электрона, т. е. работа создания положительного иона, была меньше суммы энергии, выделяющейся при образовании отрицательных ионов, и возникшей энергии электрического притяжения ионов.

Наименьшим ионизационным потенциалом обладают щелочные металлы, у которых последний электрон начинает строить новую оболочку. У щелочноземельных металлов два электрона связаны с остовом атома слабее других. Вполне очевидно, что образование положительного иона из нейтрального атома требует меньше всего работы в том случае, когда речь идет об отрыве электронов, находящихся в начавшей застраиваться электронной оболочке.

С другой стороны, оказывается, что наибольшая энергия выделяется при присоединении электрона к атомам галоидов, которым не хватает одного электрона до заполненной оболочки. Поэтому в очень значительном числе случаев ионная связь образуется при такой передаче электронов, которая ведет к созданию у образовавшихся ионов заполненных электронных слоев, характерных для атомов благородных газов. Таким образом, физический смысл потенциальных ям в таких молекулах как или объясняется превосходно.

Однако ясно, что это объяснение не может быть универсальным. Это очевидно хотя бы уже из факта существования двухатомных молекул водорода, кислорода и пр. Невозможно ведь допустить, что при связи один из атомов превращается в отрицательный ион, а другой — в положительный. Впрочем, здесь не нужны теоретические аргументы. Физические свойства молекул, построенных из ионов, сразу же показывают, когда можно, а когда нельзя говорить об ионной связи. В частности, ионные соединения диссоциируют и образуют электролиты. Огромный класс органических молекул не показывает такого поведения. Уже этого достаточно, чтобы стала очевидной невозможность ионной модели для этих веществ.

Каким же образом можно объяснить связь между атомами? Мы должны поискать, не возникает ли какой-либо выигрыш в энергии при объединении в молекулу, скажем, двух атомов водорода.

Такой выигрыш есть, и условия его возникновения указываются квантовой механикой. Как говорилось на стр. 453, поведение электрона водородного атома в главных чертах совпадает с поведением электрона в потенциальном ящике. Нулевой уровень энергии электрона в потенциальном ящике определяется размерами ящика (см. стр. 448), а именно, чем меньше размер ящика, тем больше нулевая энергия. Таким образом, всякое расширение пространства, в котором электрон мог бы двигаться, приводит к уменьшению энергии.

Представим себе теперь, что два атома водорода пришли в соприкосновение. У каждого из них по одному электрону. Поскольку принцип Паули разрешает двум электронам находиться в одном состоянии, то нет помехи к слиянию областей существования электронов и, таким образом, к увеличению размеров потенциального

ящика. Такая картина возможна лишь для двух электронов с противоположными спинами.

Представим себе, что к образовавшейся молекуле водорода приближается третий атом. Аргументы, использованные выше, уже неприменимы. Третий электрон не может объединить свою область с областью движения электронов в молекуле водорода, этого не разрешает принцип Паули, — в молекуле водорода оба свободных места заняты двумя электронами с противоположными спинами.

Итак, второй, как его называют, гомеополярный, тип связи обеспечивается парой электронов с противоположными спинами. Если в ионной связи речь шла о передаче электронов одного атома другому, то здесь связь осуществляется обобщением электронов, как бы созданием ими общего пространства для движения. Расширение пространства, в котором электрон может двигаться, ведет к уменьшению энергии и объясняет, таким образом, образование потенциальной ямы.

Образование молекул путем объединения электронных облаков электронов с противоположными спинами является основным типом связи, осуществляющимся в органических молекулах.

Каждый атом способен образовать ограниченное число гомеополярных связей, при этом в создании каждой связи участвует пара электронов с противоположными спинами, имеющая общее «жизненное пространство» в виде перекрывающихся облаков их волновых функций.

Как мы знаем, -электроны имеют сферически-симметричные -функции, но -электроны имеют ф-функции, вытянутые в определенных направлениях. Отсюда следует, что гомеополярная связь, образованная всеми электронами, кроме будет направленной связью. Если между двумя атомами возникла связь, то электронные облака этих атомов установятся вполне определенным образом по отношению к первой линии связи. Значит, линии связи, идущие от тех же атомов, могут образовывать лишь какие-то определенные углы между собой. Квантовая механика может вывести значения этих нормальных углов связей для всех атомов.

Обе схемы связи до известной степени идеальны. Сплошь и рядом мы сталкиваемся со случаями, в которых физические и химические свойства молекулы приводят нас к необходимости принять промежуточный механизм связи. Если при ионной связи электрон целиком отдается одним атомом другому, а в гомеополярной связи каждый электрон принадлежит поровну обоим связанным атомам, то в промежуточных случаях электроны, осуществляющие связь, могут больше времени проводить около одного атома, чем у другого. Такая модель допускает, например, существование примерно ионной связи, при которой электроны связи основное время принадлежат отрицательному иону, или примерно гомеополярной связи, при которой электроны связи проводят почти одинаковое время у обоих связанных атомов. Возможны любые промежуточные связи, любого процента «ионности».