Химические связи

Атомы могут присоединяться друг к другу, либо отдавая и принимая электроны, либо делясь парами электронов с соседними атомами, либо делясь электронами со многими другими атомами, либо благодаря эффекту поляризации.

Электроны в атоме занимают ряд вложенных слоев (см. Атом Бора), при этом воздействию другого атома могут подвергаться, как правило, только электроны, находящиеся во внешнем слое (он называется валентным слоем). Когда электроны в двух атомах выстраиваются так, что возникает сила, удерживающая вместе эти два атома, мы говорим, что образуется химическая связь. Различают несколько видов химической связи.

Ионная связь

Когда внешние электронные слои полностью заполнены, общая энергия атомов понижается. Например, атом натрия, имеющий на внешнем слое один электрон, охотно отдает этот электрон. И наоборот, атом хлора, которому не хватает одного электрона для заполнения внешнего слоя, стремится присоединить электрон для завершения уровня. Когда атомы натрия и хлора оказываются рядом, натрий отдает электрон, а хлор его принимает. При этом атом натрия, потеряв отрицательный заряд, становится положительно заряженным ионом натрия, а атом хлора, получив дополнительный электрон, становится отрицательно заряженным ионом хлора. По закону Кулона между двумя ионами возникает электростатическое притяжение, приводящее к образованию химической связи, которая и удерживает атомы вместе (см. также Правило октета).

С этой реакцией связано одно из чудес химии: бурно реагирующее вещество натрий и сильно ядовитый газ хлор, соединяясь, образуют обычную поваренную соль, широко применяемую в питании.

Ковалентная связь

Некоторые атомы, в основном это касается углерода, образуют связи по-другому. Когда два таких атома достаточно приближаются друг к другу, между ними возникает взаимодействие, которое можно рассматривать как длительный взаимный обмен электронами. Как будто атом бросает один из своих внешних электронов другому атому, затем ловит электрон другого атома и снова бросает его обратно в бесконечной игре в мяч. В соответствии с законами квантовой механики, такой обмен электронами вызывает силу притяжения, которая и удерживает атомы вместе.

Дело в том, что такой атом как углерод, имеющий четыре электрона во внешнем слое, может дополнить этот валентный слой до восьми электронов, образуя ковалентные связи с четырьмя другими атомами. Поэтому атомы углерода способны образовывать молекулы с длинными цепями, какие мы наблюдаем в биологических системах). Некоторые ученые (и я в том числе) даже утверждают, что вследствие этого свойства атома углерода вся жизнь во Вселенной, как и жизнь на Земле, должна быть углеродной.

Металлическая связь

В металлах образуется химическая связь еще одного вида. Каждый атом в металле отдает один или два подвижных электрона, как бы делясь этими электронами со всеми соседними атомами металла. Эти квазисвободные электроны образуют что-то вроде желе, в котором располагаются тяжелые положительные ионы металла. Все это напоминает трехмерную пространственную решетку из стеклянных шариков в вязкой патоке — если толкнуть один из таких шариков, он слегка сдвинется, но сохранит свое положение относительно других. Точно так же атомы металла, потревоженные внешним механическим воздействием, останутся связанными друг с другом благодаря «электронному желе» (или «электронному газу»). Вот почему, если ударить по металлу молотком, останется вмятина, но сам кусок металла, скорее всего, не разломится. Именно «электронное желе» делает металлы хорошими проводниками электричества (см. Электронная теория проводимости).

Водородная связь

Строго говоря, это не химическая связь в том смысле, в каком мы рассматривали предыдущие три типа связи. Это, скорее, притяжение между отдельными молекулами. Многие молекулы, хотя и являются в целом нейтральными (то есть имеют одинаковое количество отрицательных электронов и положительных протонов в своем ядре), оказываются поляризованными. Это значит, что некоторые части таких молекул имеют суммарный отрицательный заряд, в то время как другие части — положительный. Конечно, суммарный заряд молекулы нейтрален, но положительный и отрицательный заряды распределены неравномерно.

Представим, что полярная молекула, как ее называют, приближается своей отрицательной областью к молекуле-мишени. Электростатическая сила со стороны этой отрицательной области больше, чем со стороны положительной, т. к. положительная область расположена дальше. Эта электростатическая сила вызывает в молекуле-мишени передвижение электронов прочь от точки контакта, тем самым создавая в этом месте молекулы-мишени незначительный положительный заряд. В результате между двумя молекулами возникает сила притяжения и, следовательно, образуется связь.

Самая известная полярная молекула — это молекула воды. Отрицательный заряд собирается вокруг атома кислорода, приводя к образованию слабого положительного заряда около атомов водорода. Благодаря такой поляризации вода является хорошим растворителем. Ее молекулы способны создавать связи более прочные, чем те, которые удерживают молекулы-мишени вместе. Связи, создаваемые посредством положительно заряженных атомов водорода, называются водородными связями. Поскольку молекул водорода очень много в биологических молекулах, водородные связи в них образуются достаточно часто. В частности, именно водородные связи удерживают вместе две спирали молекулы ДНК.

См. также:
Периодическая система Менделеева

4
Показать комментарии (4)
Свернуть комментарии (4)

  • dpi  | 01.12.2007 | 15:39 Ответить
    Если принять во внимание, что молекулярно-кинетическая теория - чушь, так как никакого хаотического (теплового) движения молекул, атомов и ионов нет, то неизбежен пересмотр многих, сегодня кажущихся незыблемыми, положений квантовой теории и моделей строения атомов и молекул.
    При этом придется отправить на свалку и набившую оскомину теорию валентности. Замечательную теорию, которая "абсолютно ясно" объясняет одновременное образование закиси, окиси и перекиси, а также гомосексуальные наклонности большинства элементов - N2, O2, H2, Cl2 ... etc... etc...
    Существует предположение, что, расположение электронов в том или ином электронном слое (K, L, M, N etc...) определяет агрегатное состояние вещества. А электронные системы молекул жидкости или газа аналогичны широко ныне известной атомарной системе. С небольшой поправкой - принцип aufbau меняется на принцип antiaufbau - для "идеальных" атомарных молекул инертных газов - то есть сначала электроны занимают самый удаленный от ядра слой (K-слой в новом понимании).
    В результате химической реакции, например, при объединении двух атомов в одну молекулу объединяются в единую их электронные системы, а ядра атомов располагаются на некотором расстоянии друг от друга в, так скажем, ядерной зоне, создавая ядро молекулы. Ядерной реакции при этом не происходит. Такие химические реакции происходят с выделением или поглощением теплоты - в зависимости от того, каким именно образом перераспределяются в результате химической реакции электроны. При таком толковании становится абсолютно понятен смысл закона Гесса.
    Поясняю - например, в ходе объединения электронных систем двух атомов (вследствие химической реакции) 2 электрона вынуждены были перейти с K-слоя на M-слой (на K- и L-слоях больше не осталось вакантных мест).
    При этом были излучены 2 фотона, соответствующие этому переходу. Или 4 фотона - два при переходе электронов с K-слоя на L-слой, а когда оказалось, что и там "занято", то и еще 2 - при переходе c L-слоя на M-слой.

    Если два электрона атома (или молекулы?) гелия заняли K-слой (больше этот слой не вмещает), САМЫЙ УДАЛЕННЫЙ ОТ ЯДРА АТОМА, то агрегатное состояние гелия - газ. Если они перешли на L-слой, существенно ближе к ядру - то жидкость, если же и K-слой и L-слой свободны от молекул, а самые удаленные электроны располагаются на M-слое то для гелия это переход от гелия-I к гелию-II. Переход электронов на еще более близкий к ядру N-слой - приводит к переходу гелия в твердое состояние.
    По всей видимости, у лития при обычных (нормальных) условиях все его 3 электрона располагаются именно на N-слое. Но при нагревании они могут переходить на более удаленные от ядра орбиты, превращая литий сначала в жидкость, а затем и в газ.

    (с)Дубровский П.И., 2007 г.
    PS при перепечатке прошу указывать источник.
    Если кому понравилась эта идея, и он готов поучаствовать в ее доказательстве и продвижении, с удовольствием приму любую помощь.
    Ответить
    • ExpertSC > dpi | 29.08.2008 | 12:13 Ответить
      Идея понравилась. Как насчет того, чтобы создать новую теорию химической связи?. Наш вклад - теория мультиэлектрона (http://viktor19451.narod.ru), объясняющая механизм спаривания электронов при ковалентной связи и другие особенности взаимодействия электронов с веществом.
      Ответить
  • alba  | 15.01.2009 | 20:05 Ответить
    Полностью согласен.Я тоже пришел к подобной мысли.Она следует из простого факта:Чем больше потенциальная энергия частицы тем меньшее пространство она занимает.Например,фотон большой энергии короче фотона же меньшей энергии так как длина волны первого меньше.Об этом говорит формула Е=hv.
    Поэтому объем свободного электрона примерно в 1860 раз больше объема протона.Они заряжены противоположно. Поэтому при их объединении должно происходить сжатие электрона,которое тем больше чем большая энергия поступает извне .Дерзайте.Вы на правильном пути.
    P.S.Такие системы описываются уравненем Матье.Другими словами это параметрические устройства.Атом водорода грубо является аналогом параметрона,состоящего из двух паралельных контуров (индуктивность+конденсатор),связанных через электростатическое поле.
    Поэтому можете представить сколько таких контуров в атомах посложнее водорода и какие математические трудности вас ожидают.
    Ответить
  • komandor300  | 15.07.2013 | 11:58 Ответить
    Почему же при современных условиях не могут найти дешёвый способ выделения металлов таких как золото?
    Ответить
Написать комментарий

1854
1887
1919
конец 1920-х
1930-е
Химические связи
Химическая связь определяется расположением электронов в атомах по отношению к другим электронам и ядру, а также электростатическим притяжением между положительными и отрицательными зарядами

Химическая связь определяется расположением электронов в атомах по отношению к другим электронам и ядру, а также электростатическим притяжением между положительными и отрицательными зарядами

Элементы

© 2005-2017 «Элементы»