Home  / Публикации / Книга "Как образуется химическая связь и протекают химические реакции" / 1.7. Первое дополнение к G-теории химической связи

1.7. Первое дополнение к G-теории химической связи

 . . .

Согласно приведенному выше объяснению, которое можно назвать первым, основной вклад в энергию связи вносят концентрация положительного заряда (примерно 70%) и сродство атома к электрону.

Согласно второму объяснению, выигрыш в энергии при образовании связи происходит в результате повышения эффективного заряда ядер взаимодействующих атомов. Фактически оба способа объяснения идентичны и разница лишь заключается в акценте на действующие силы. И действительно, оба эти способа исходят из Первого дополнения к G-теории: связывающий электрон одного атома входит в наружную электронную оболочку другого атома. Согласно первому объяснению, основными силами, удерживающими образовавшуюся электронную пару, являются силы электростатического притяжения за счет эффективного заряда ядер двух атомов. Эти силы направлены перпендикулярно к оси, соединяющей центры тяжести ядер атомов (рис. 26).

                   Рис. 26. Возникновение эффективных зарядов в модельной системе  

Второе объяснение может быть проиллюстрировано, если разложить на составляющие силы, рассмотренные в первом методе (по две составляющих от каждого атома) (см. рис. 26). В обоих случаях выигрыш в энергии при образовании химической связи объясняется тем, что энергия взаимодействия электронов и ядер пропорциональна квадрату заряда ядра.

В ходе расчета энергии гетероядерной связи мы нашли не только саму энергию, но и расстояния электронов (x₁ и х₂) от обоих ядер, а также параметр а (см. рис. 3). Зная x₁, x₂ и а, можно рассчитать расстояние связывающего электрона от ядра. Зная же это расстояние, легко рассчитать эффективное значение заряда ядра атома по отношению к связывающим электронам, (далее просто увеличение эффективного заряда ядра), соединенного с другим атомом, а по разнице энергий разделенных и объединенных атомов - выигрыш в энергии при образовании связи.

С помощью этой простой схемы мы рассчитали изменение эффективного заряда ядра атома А в молекуле типа А-В (рис. 27), при неизменном ППИ атома А (5 эВ) в зависимости от ППИ атома В.           

Рис. 27. Зависимость изменения эффективного заряда атома А (ППИ = 5 эВ) от  ППИ атома В в соединении АВ.  

Как видно из рис.27, с ростом первого потенциала ионизации атома В эффективный заряд атома А увеличивается. Когда взаимодействуют одинаковые атомы, электронная пара располагается симметрично относительно обоих ядер, и изменение эффективного заряда для обоих ядер одинаково. При образовании ковалентной связи между атомами с отрицательным значением энергии сродства к электрону эффективный заряд ядер увеличивается на 0,26-0,37; это объясняет, почему связь образуется, хотя к этим атомам электрон не присоединяется.

Как видно из рис. 27, кривая изменения эффективного заряда от ППИ носит затухающий характер, и повышение эффективного заряда не может быть больше единицы. Это позволяет объяснить, почему именно инертные газы (вторая группа аномальных элементов) не взаимодействуют друг с другом. Для образования ковалентной связи между атомами инертных газов необходимо увеличить эффективный заряд ядер больше, чем на единицу.

Кроме того, результаты расчета (увеличение эффективного заряда меньше, чем на единицу) объясняют и правило валентности. Число электронов в наружном слое центрального атома при объединении нескольких атомов не может быть больше, чем число электронов во внешней оболочке атома инертного газа, следующего за центральным атомом в Таблице элементов Менделеева.

В процессе присоединения атомов к центральному атому число электронов в их наружных оболочках увеличивается с одновременным увеличе­нием эффективного заряда ядра. Но когда число электронов в наружном слое достигает восьми, образование следующей ковалентной связи (электронной пары) не происходит, так как для внедрения девятого электрона в наружную оболочку центрального атома необходимо увеличение эффективного заряда ядра более чем на единицу.

Необходимо также подчеркнуть, что в соответствии с G-теорией образование химической связи любого типа сопровождается увеличением эффективного заряда любого атома на 0,2-0,4. Согласно модели (см. рис. 26, 27), для увеличения  максимального числа электронов в наружном электронном слое с двух до трех необходимо, чтобы эффективный заряд ядра увеличился на 0,2-0,3 единицы, а для увеличения максимального числа электронов с восьми до девяти или с девяти до десяти эффективный заряд должен увеличиться на 3,5 и 5 единиц.

Увеличение эффективного заряда ядра согласно рис.26 обусловлено тем, что каждое из ядер соединяемых атомов, не только притягивает связывающие электроны к себе, но и одновременно увеличивает силу притяжения связывающих электронов к ядру атома, с которым данный атом связан химической связью, т. е. повышает эффективный заряд связываемых ядер.

Суммарный выигрыш в энергии при образовании химической связи можно разделить на две части

1) выигрыш энергии за счет вхождения электрона одного атома во внешнюю оболочку другого. Выигрыш энергии за счет этого вклада составляет 5 -7% от общего выигрыша энергии. 

2) выигрыш энергии за счет   повышения эффективного заряда ядер связываемых атомов составляет 94 - 96% от общего выигрыша энергии.

Так, например, в случае образования молекулы водорода выигрыш энергии за счет первого вклада составляет 5,7% , а за счёт второго, соответственно, 94,3%.

Выяснение соотношения вкладов позволяет ответить на вопрос, почему свободные атомы не присоединяют более одного электрона, а при образовании, например, молекулы метана (СН₄) во внешнюю оболочку атома углерода входят дополнительно четыре электрона, а при образовании двойных и тройных связей во внешнюю оболочку каждого из связываемых атомов входят две и три пары электронов.

Первое дополнение к G-теории химической связи позволяет глубже понять физическую природу химической связи. В процессе образования прочной связи (гомо- и гетероядерной) электрон каждого из взаимодействующих атомов входит в наружную оболочку другого атома. Приведенное выше объяснение аномального поведения некоторых элементов позволяет понять другие важные явления, связанные с образованием связи, такие, как правило валентности, донорно-акцепторная и ван-дер-ваальсова связи.