Home  / Учебник ОБЩАЯ ХИМИЯ / Глава 3. Молекула

Глава 3. Молекула

Строение молекулы. Химическая связь.

Атомы в веществе не бывают свободными, они объединены в молекулы. Чтобы разделить молекулу на атомы надо затратить энергию, поэтому говорят, что атомы связаны в молекулы. Связи, при помощи которых атомы соединяются друг с другом для образования молекулы, называются химическими связями.

Рассмотрим структуру вещества на примере воды

В 18  граммах воды содержится 6.02х10²³ молекул. Молекула воды состоит из одного атома кислорода (О) и двух атомов водорода (Н), т.е. H₂O. Атом кислорода (О) содержит 6 электронов и одно атомное ядро, атом водорода (Н) - одно ядро и один электрон см.Рис 3.1. Для того, чтобы разрушить воду до молекул, мы должны нагреть воду до температуры 100⁰С. Для дальнейшего разрушения - молекул до атомов - мы должны нагреть полученный водяной пар до температуры приблизительно 5000⁰С.  Чтобы оторвать электроны от ядра атома кислорода, требуется поднять температуру выше 10000⁰С.

Рис.3.1.Атом кислорода и атом водорода

Поскольку атомы состоят из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ядер, то естественно предположить, что формирование химической связи произошло за счет притяжения отрицательно заряженных электронов одного атома к положительно заряженным ядрам другого атома. При этом возникает вопрос: сколько электронов принимают участие в образовании химической связи? - В случае с молекулой водорода, достаточно 2 электронов. Каждый из двух атомов водорода, образующих молекулу Н₂, имеет только один электрон.  Все остальные атомы (кроме атомов водорода) содержат более одного электрона.

Мы считаем, что образование  молекул происходит за счет притяжения ядра одного атома к электронам другого атома.  Но тогда не ясно, почему атом гелия (He), имеющий 2 электрона, не образует стабильных молекул типа He₂?

Рассмотрим структуру вещества на примере атомов второго периода

Исследования состава молекул, в том числе молекул водорода и атомов элементов второго периода: лития (Li), бериллия (Be), бора (B), углерода (C), азота (N), кислорода (O), фтора (F) и неона (Ne), показали, что количество атомов водорода, которое может связать каждый из этих элементов, равняется соответственно 1, 2, 3, 4, 3, 2, 1, 0. Это означает, что атомы лития (Li) и фтора (F) образуют устойчивые молекулы LiH и HF, в то время как бор (B) и азот (N) образуют устойчивые молекулы BH₃ и NH₃. Неон (Ne) вообще не образует устойчивых молекул с водородом.    Как указывалось в  разделе о строении атома, количество электронов на внешних оболочках атомов лития (Li), бериллия (Be), бора (B), углерода (C) соответственно равно 1, 2, 3 и 4.

Таким образом, число атомов водорода, которые могут быть связаны с данными атомами, равно числу электронов на внешних оболочках этих атомов. В случае образования молекул типа Н₂ и Cl₂, оба атома, принимающие участие в процессе образования молекулы, эквивалентны. В образовании химической связи принимают участие два электрона - по одному от каждого из связываемых атомов.

На основании рассмотренных данных можно сделать два вывода:

1. В процессе образования связи принимают участие только электроны внешней оболочки данных атомов.
2. Для образования связей с атомом водорода используется только один электрон этого элемента, чтобы образовать одну химическую связь.

В соответствии со вторым выводом, число атомов водорода, которые может присоединить один атом (в случае с литием (Li), бериллием (Be), бором (B), и углеродом(С)), равно числу электронов на внешней оболочке центрального атома.  С другой стороны, атомы азота (N), кислорода (O) и фтора (P) присоединяют, соответственно,  3, 2 и 1 атом водорода, в то время как атом водорода вообще не присоединяется к атому неона (Ne).

Из данных о строении электронных оболочек, мы знаем, что число электронов на внешней электронной оболочке элементов второго периода (в том числе азот (N), кислород (O), фтор (F) и неон (Ne)), не может превышать 8. Первые энергии ионизации (ПЭИ) свидетельствуют о том, что после того, как количество электронов увеличится до 8, атомы второго периода начинают формировать новую внешнюю оболочку. Сравнение этих данных с данными по количеству атомов водорода, которые могут присоединяться к атомам азота (N), кислорода (O), фтора (F), позволяет сделать следующие выводы:

1. При формировании химической связи  типа N-H, O-H, F-H [здесь тире (-) указывает на химическую связь], электрон атома водорода переходит на внешнюю оболочку центрального атома.
2. Количество атомов водорода, которые может присоединить атом второго периода, ограничивается максимальным количеством электронов, которые может содержать внешняя оболочка этих атомов. Согласно данным по ПЭИ, это количество равно 8.

В соответствии с этими выводами, неон (Ne), который уже имеет 8 электронов на внешней оболочке, не может образовать устойчивые молекулы типа NeH. И в реальности таких молекул не существует.

Рассмотрим структуру вещества на примере атомов третьего периода

Рассмотрим состав молекул типа LiH для элементов третьего периода:  натрия  (Na), марганца (Mg), алюминия (Al), кремния (Si), фосфора (P), серы (S), хлора (Cl), аргона (Ar). Количество атомов водорода, которое может связать каждый из этих элементов, равняется соответственно 1, 2, 3, 4, 3, 2, 1, 0. Ситуация  аналогична поведению элементов второго периода. Атомы натрия (Na) и хлора (Cl) образуют устойчивые молекулы NaH  и HCl, атомы алюминия (Al) и фосфора(P) - молекулы AlH₃ и PH₃. Аргон (Ar) не образует устойчивых молекул с водородом.

Сравнивая экспериментальные данные по значениям ПЭИ устойчивых молекул с их химическим составом,  мы можем вывести следующие правила

1. Лишь электроны, расположенные на внешней электронной оболочке связываемых атомов, принимают участие в образовании химических связей.
2. Только один электрон внешней оболочки имеет возможность сформировать одну связь.
3. Два электрона - по одному от каждого атома - принимают участие в образовании химической связи между двумя атомами. Эти два электрона являются связывающими электронами.
4. После образования связи, оба связывающих электрона оказываются на внешних оболочках связываемых атомов. Поэтому, в ходе образования связи количество электронов на уже существующей внешней оболочке связываемых атомов увеличивается на один.
5. Количество химических связей, которые может образовать атом, снизу ограничивается количеством электронов на внешней оболочке данного атома. Для атомов второго и третьего периодов это ограничение относиться к атомам, имеющим менее 5 электронов на внешней оболочке, т.е., к атомам Li, Na, Be, Mg, B, Al, C и Si.
6. Количество связей, которые может образовать атом второго и третьего периодов, сверху ограничивается количеством электронов, находящихся на внешних оболочках этих атомов. Согласно данным ПЭИ, максимальное количество электронов, которые могут находиться на внешних оболочках атомов второго и третьего периодов равно 8. Это ограничение относится к атомам, имеющим более четырех электронов на внешней оболочке, т.е., к атомам N, P; O, S; F, Cl; Ne, Ar  и описывается величиной  8.

Строение молекулы. Химическая связь

Ковалентная связь >>

Модель молекулы водорода >>

Энергия молекулы водорода>>

Энергия иона водорода Н₂⁺ >>

Другой способ определения энергии молекулы водорода >>