Home  / Учебник ОБЩАЯ ХИМИЯ / Глава 4. Химическая связь / G-теория химической связи

G-теория химической связи

Основные положения: 

Как было отмечено, энергия водородоподобных атомов описывается уравнением E =  - Ze/R. С увеличением заряда ядра электронная энергия атома  увеличивается пропорционально  заряду ядра.

Теперь представим себе механизм  образования химической связи  на примере объединения  двух ядер атома водорода в одно.  Как  изменится энергия системы, если  электроны будут вращаться по орбите вокруг объединенного ядра. В действительности объединение ядер невозможно осуществить в обычных условиях, так как  при их сближении силы отталкивания между ядрами  и, соответственно,  потенциальная энергия  Е = Z₁Z₂/R   будет возрастать до бесконечности.

Гипотетически,  если  «объединить два атома водорода», то получится  (с электрической точки зрения) атом гелия, энергию которого можно измерить  экспериментально. Теперь давайте рассчитаем выигрыш энергии  этого  механизма образования химической связи.  Согласно экспериментальным данным, потенциальная энергия атома гелия (удвоенная сумма первого и второго потенциалов ионизации) составляет 15215 кДж/моль, а двух атомов водорода  5246 кДж/моль. Таким образом, разница в энергиях, равная 15215 - 5246  ~ 9970 кДж/моль, и должна составлять выигрыш в энергии при объединении двух атомов водорода.

В таблице 4.5  приведены данные расчета выигрыша энергии согласно G-теории химической связи    при предполагаемом объединении 3, 4, 5 и 6 атомов водорода с образованием соответственно Li, Be, В и С.

Таблица 4.5

Вычисленные значения энергии электронов при объединении атомов водорода

Потенциальную энергию рассчитывали по формуле: 

где ПИ_i = ППИ (в данном случае = 1, 2, 6),   а выигрыш в энергии равен:

ΔU = U_эл  -nU_Н                                                       (4.2)

где U_H = 2623 кДж/моль - удвоенный потенциал ионизации водорода.

В чем же состоит физическая природа наблюдаемого явления - выигрыша энергии? Почему всегда энергия объединенных атомов меньше энергии первоначальных (исходных) атомов?

G-теория химической связи  рассматривает следующий механизм образования химической связи:

При объединении ядер, электроны начинают вращаться вокруг объединенного ядра, эффективный заряд которого определяется суммой зарядов ядер каждого из объединяемых атомов. Расчеты показывают, что выигрыш в энергии для системы из двух протонов и двух вращающихся вокруг них электронов без учета сил отталкивания  достигает 9970 кДж/моль.
В молекуле водорода ядра находятся на расстоянии 0,068 нм, и энергия отталкивания между одноименно заряженными частицами на таком расстоянии составляет примерно 1800 кДж/моль. Тогда с учетом отталкивания выигрыш в потенциальной энергии составит 9970 - 1800 = 8170 кДж/моль.

Молекулу водорода G-теория химической связи   рассматривает  как некий промежуточный продукт между двумя исходными атомами водорода и конечным атомом гелия, который получается при объединении ядер атомов водорода. Если каждый из электронов в атомах водорода вращается вокруг ядра с зарядом +1, а в атоме гелия оба электрона вращаются вокруг ядра с зарядом +2, то в молекуле водорода оба электрона вращаются вокруг ядра, заряд которого больше +1, но меньше +2. Соответственно выигрыш в энергии будет меньше, чем 8170/2 кДж/моль, но может быть соизмерим с  энергией связи в молекуле водорода (432 кДж/моль).

В соответствии с G-теорией  химической связи 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 для случая образования молекулы водорода выигрыш энергии за счет первого вклада составляет 5,7% , а за счёт второго, соответственно, 94,3%.
Согласно G-теории химической связи образование связи любого  типа сопровождается увеличением эффективного заряда любого атома на 0,2-0,4 протонные единицы.

Принципы образования связи в многоэлектронных атомах >>

Потенциал ионизации и энергия связи в двухатомных молекулах >>

Энергия связи >>

Длина связи >>

G-теория химической связи   

Правило валентности >>

Донорно-акцепторная связь >>

Ван-дер-ваальсовая связь >>

Изомеризация. Динамическая связь >>

Основы стереохимии >>