Home  / Публикации / Статьи / ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ И ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ И ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

В рамках исследований, проведенных за эти годы, были найдены ответы на вопросы, постепенно возникавшие на протяжении химической эволюции от алхимии до электронной химии. Еще в 1930-е годы было установлено, что структура и превращения химических веществ определяются изменениями электронной энергии внешнего электронного слоя атомов. Исследования и заключения, основанные на сведениях, накопленных Менделеевым, Льюисом,  Полингом, позволили сформулировать правила для объяснения строения химических соединений их физических и химических свойств. Периодическая система элементов, правила Льюиса, Теория резонанса, Правила отталкивания внешних электронных оболочек (ПОВЭО) предсказали химическое и пространственное строение химических соединений.тОткрытие огромного числа химических реакций (особенно в органической химии) позволило предложить методы синтеза различных химических соединений. В начале 19-го столетия были сформулированы основополагающие начала химии: атомно-молекулярная теория строения вещества и теория химических превращений.
На повестке дня встал вопрос о физической природе химической связи. Необходимо также было дать объяснение физической природы перечисленных выше правил (Периодический закон, правила Льюиса, Теория резонанса и т.п.).

Неясными оставались вопросы: Почему именно два электрона (по одному от каждого атома), а не один или три образуют связь? Почему атомы, принимающие участие в образовании химической связи, стремятся достроить свою внешнюю оболочку до электронной оболочки инертного (благородного) газа? Почему бывают исключения из этого правила? и т.д.
Такие вопросы возникли в процессе развития традиционной (классической) химии как науки. В 1930-х гг. традиционное развитие химии сменилось квантовой химией.  Мы же продолжили классическое направление в химии, призванное углубить понимание основных химических явлений (т.е. образование химических связей и протекание химических реакций) на физическом уровне.
Совершенствование знаний относительно физической природы химической связи прошло путь от заключения, что в ходе образования химической связи энергия системы уменьшается, до объяснения, почему это происходит (качественное объяснение роли энтальпийного фактора) и насколько на самом деле снижается энергия (количественная оценка энтальпийного фактора для гомо- и гетероатомных молекул).
Нам удалось объяснить, почему энергия, необходимая для разрыва связи, больше, чем разность между электронной энергией атомов и молекул (качественная оценка энтропийного фактора). Мы также установили количественное влияние энтропийного фактора на энергию разрыва химической связи. Оценка влияния энтальпийного и энтропийного факторов позволила составить систему из трех алгебраических уравнений с тремя неизвестными (в дальнейшем мы будем называть ее системой уравнений). Эта система уравнений была выведена на основе модели, предполагающей, что образование ковалентной (гомо- и гетероатомной) связи  осуществляется за счет электронов, находящихся на орбите, плоскость которой перпендикулярна оси, соединяющей ядра. При выводе системы уравнений было принято, что электрон представляет собой частицу, обладающую определенной массой, зарядом и орбитальной скоростью вращения.

Решение системы уравнений для молекулы водорода показало, что расхождение результатов расчета и эксперимента не превышает 4%, что свидетельствует о корректности модели. Решение этой системы уравнений позволило понять физическую сущность химической связи и основные закономерности, наблюдаемые при ее исследовании. Эти закономерности представлены в виде правил Льюиса и дополнений к ним, которые объясняют исключения из правил Льюиса (соединения с электронами серы, теория резонанса и т.д.). Например, решение этой системы уравнений дало возможность подсчитать оптимальное число связывающих электронов и радиус орбиты, на которой эти электроны вращаются.
Эта система уравнений позволила объяснить функциональную зависимость между энергией связи в двухатомных молекулах, первой энергией ионизации (ПЭИ) взаимодействующих атомов и числом связывающих электронов. Было найдено, что в случае равных ПЭИ связывающих атомов зависимость энергии связи от ПЭИ описывается параболой. Если же ПЭИ атомов различается, энергия связи увеличивается пропорционально разности ПЭИ атомов.

 Решение системы уравнений позволило рассчитать зависимость от ПЭИ следующих параметров: длина связи, полярность связи, радиус не только той орбиты, на которой вращаются связывающие электроны, но и орбиты, на которой находятся несвязывающие электроны. Результаты всех расчетов соответствуют результатам экспериментов по определению ПЭИ атомов, энергии связи, длины связи и полярности связи.

Согласно модели, чья справедливость была подтверждена совпадением расчетных и экспериментальных данных, в случае, когда один атом связан с несколькими атомами, ковалентная связь имеет определенную направленность. Валентные углы определяются отталкиванием электронных орбит, на которых находятся связывающие электроны.

Расчет радиуса орбиты, на которой находятся несвязывающие электроны, показал, что он больше радиуса орбиты со связывающими электронами. Согласно модели, отталкивание между электронными парами усиливается пропорционально увеличению радиуса орбиты, на которой эти электроны находятся. То есть, в соответствии с расчетами, межэлектронное отталкивание должно усиливаться в ряду: несвязывающая пара - несвязывающая пара > несвязывающая пара - связывающая пара > связывающая пара - связывающая пара. Такая последовательность наблюдается в рамках эксперимента, подкрепленного Теорией отталкивания внешних электронных оболочек.

На фоне хорошего соответствия между результатами расчета и эксперимента имеет место существенное расхождение данных для ряда элементов, названных нами аномальными. Причина расхождения объясняется следующим образом: аномально низкую энергию связи, по сравнению с рассчитанной на основании модели, имеют двухатомные ковалентные связи в ряде благородных газов и элементов с двумя электронами в наружной электронной оболочке. Было обнаружено, что аномально низкая энергия связи в молекулах, образованных аномальными элементами, связана с аномальными свойствами атомов этих элементов. Все аномальные элементы, в отличие от обычных, имеют отрицательное значение сродства к электрону. 
В результате решения системы уравнений было обнаружено, что в процессе образования ковалентной связи оба связывающих электрона входят в наружные (существовавшие ранее) электронные слои каждого из связываемых атомов. Таким образом, в результате возникновения ковалентной связи число электронов в наружном энергетическом уровне каждого из связываемых атомов увеличивается на единицу. Совпадение рядов аномальных атомов (с отрицательным сродством к электрону) с рядом атомов с аномально низкой энергией ковалентной связи говорит о том, что аномально низкая энергия связи вызвана затратами дополнительной энергии, связанными с входом связывающего электрона в наружную оболочку связываемого атома.тБыло установлено, что аномальное поведение атомов является следствием межэлектронного отталкивания в наружных электронных слоях. Взаимное отталкивание электронов в одном слое приводит к их распределению в других слоях. Число электронов во внутренних слоях одинаково для всех атомов; именно поэтому с ростом заряда ядра число электронов во внешней оболочке атома периодически изменяется. Согласно электростатике, ПЭИ атомов и их сродство к электронам также периодически изменяется. Таким образом, число электронов в наружной оболочке атомов, их ПЭИ и сродство к электрону определяют физические и химические свойства элементов: валентность, энергию связи и реакционную способность.

Уяснение причины аномального поведения ряда элементов позволило понять следующее:
1) физическую природу валентности;
2) взаимосвязь между ПЭИ, сродством атомов к электрону, числом электронов в наружном электронном слое и их физическими и химическими свойствами, а также причину их периодического изменения;      
3) физическую природу Периодического закона.

Мы углубили понимание правил Льюиса. Вместо подобных фраз: "Молекула состоит из атомов, которые соединены друг с другом за счет образования электронных пар, использующих атомные орбитали взаимодействующих атомов..." и "Наиболее важным требованием, обеспечивающим образование стабильной связи, является достижение взаимодействующими атомами конфигурации соответствующих инертных газов....", мы предлагаем следующее: "Благодаря решению системы уравнений стало более ясным, что:  
1) минимальная электронная энергия (при образовании из атомов двухатомных молекул) достигается в том случае, когда два электрона (не один и не три) вращаются между соединенными ядрами;  
2) при образовании ковалентной связи число электронов в наружном электронном слое объединяемых атомов увеличивается на 1." 

Межэлектронное отталкивание (между наружными электронами) лимитирует число электронов, которые могут войти во внешнюю электронную оболочку атома при образовании химической связи. Именно поэтому число связей, которое может образовать один атом с другими атомами, ограничено. Число электронов во внешнем слое с учетом присоединяемых электронов в процессе образования химической связи для первых 20 элементов Периодической системы элементов Менделеева не может быть больше восьми. 
Корректировка теории резонанса включает уяснение физической природы явления, описываемого теорией. Стало ясным, что явление резонанса связано с явлением электронно-ядерной изомеризации.
Мы нашли ответы на многие специфические вопросы, например:Почему инертные (благородные) газы инертны? Почему энергия связи в молекуле фтора F₂ меньше, чем в молекуле хлора Cl2?  Почему фтор F₂ является более активным окислителем, чем хлор Cl₂? Почему ртуть, будучи металлом, всегда жидкая при комнатной температуре? Почему в процессе образования молекулы атомы стремятся достроить свою внешнюю оболочку до оболочки инертных (благородных) газов?