Молекулы. Химические соединения и реакции

Молекула есть наименьшая структурная единица химического соединения. Молекулы состоят из атомов одинаковых или раз­личных химических элементов. Силы, удерживающие атомы в молекулах, являются проявлением электромагнитного взаимо­действия. Существует два типа связей атомов в молекуле: ионная и ковалентная.

Ионная связь заключается в том, что валентные электроны у атомов ряда элементов, слабо связанные с атомом в целом, лег­ко теряются атомом. Атом превращается в положительно заря­женный ион. Атомы других элементов, напротив, могут захватывать «чужие» электроны, образуя отрицательно заряженный ион. Между разноименно заряженными ионами действуют кулоновские силы притяжения, которые обеспечивают образова­ние и устойчивость молекул.

Рассмотрим в качестве примера молекулу хлористого натрия NaCL Из периодической системы элементов следует, что атом Na содержит один электрон (подуровень 3s), который слабо связан с атомом в целом. Атом же хлора имеет почти заполненный уровень (для полной застройки ему не хватает одного электрона). Этот недостающий электрон захватывается атомом хлора у атома натрия, в результате чего образуется два иона: Na+ и С1^-. За счет ионной связи образуются молекулы-пары «щелочной металл- галоген», «щелочно-земельный металл-оксиген» или «бороген- ннтроген».

Ионная связь характеризуется полным обменом заряда между составляющими молекулу ионами за счет объединения внешних электронных оболочек. Общая молекулярная оболочка подобна оболочке инертных газов. Это довольно сильная связь: например, для NaCl энергия связи, приходящаяся на одну молекулу, равна 7,9 эВ.

Ковалентная связь - это связь атомов посредством общих электронных пар. Она возникает, например, при образовании молекул из одинаковых атомов, например, Н₂, О₂, N₂ и др. Ясно, что в этом случае невозможно выделить положительные и отри­цательные ионы. Упрощенно механизм ковалентной связи поясняется схемой (рис. 5.6).

Рис. 5.6.

В промежутке между положи­тельно заряженными ядрами возникает область отрицатель­ного пространственного заряда, обусловленного наличием «об­щих» электронов. Сила кулоновского притяжения, действующая со стороны отрицатель­ного заряда на положительный, больше, чем сила отталкивания последних, что обеспечивает существование молекул данного типа. При этом происходит лишь частичный обмен зарядами. В каждой ковалентной связи участвуют только два электро­на — по одному от каждого атома. Эти электроны наиболее вероятно находятся в области перекрытия их волновых функций.

Ковалентная связь направленная и обладает свойством насы­щения. Последнее состоит в том, что у атома может быть столько ковалентных связен, сколько у него валентных электронов. Нап­ример, четырехвалентный атом углерода может вступать в кова­лентную связь только с четырьмя такими же атомами. Энергия ковалентной связи имеет тот же порядок, что и ионной (~10 эВ/молекул).

И при ионной, и при ковалентной связях при очень большом сближении атомов нарастают силы отталкивания. Рассмотрим в качестве примера молекулу водорода Н₂, состоящую из двух протонов (А и В) с зарядами +е и двух электронов (1 и 2) с зарядами -е. Пусть в какой-то момент времени протоны и электроны расположены так, как показано на рис. 5.7.

Рис. 5.7.

Вспомним, что потенциальная энергия взаимодействия двух зарядов пропорциональна их произведению и обратно пропорциональна расстоя­нию между ними. В нашем случае

где «+» соответствует отталкиванию, а «-» - притяжению зарядов. Полная потенциаль­ная энергия двух атомов водорода есть сумма потенциальных энергий всех шести попарных независимых взаимодействий

Первый член в этом выражении отражает уменьшение потен­циальной энергии, обусловленное притяжением электронов к протонам, второй – увеличение энергии, связанное с отталкива­нием попарно электронов и протонов. Характер зависимости потенциальной энергии U_Σ от расстояния между атомами r_АВ, соответствующий выражению (5.1), приведен на рис. 5.8. Эта зависимость имеет выраженный минимум при r_АВ = r₀ = 7,4 нм. Это расстояние между атомами и имеет место в молекуле водорода. На рис. 5.8 пунктиром показана потенциальная энергия весьма удаленных друг от друга атомов. При ковалентной связи двух идентичных атомов их электроны как бы делятся поровну и заряды распределены симметрично (как в молекуле водорода Н₂).

Рис. 5.8.

Если молекула образована из различных атомов на основе ковалентной связи, то заряды в ней (при общей электрической нейтральности молекулы) распределены несимметрично — отри­цательный заряд «смещается» к одному из атомов, вследствие чего другой атом приобретает слабый положительный заряд. Такая молекула называется диполем (двухполярной). Количест­венно диполь характеризуется дипольным моментом , который равен произведению величины разделенного заряда на расстоя­ние между ними; вектор направлен от положительного заряда к отрицательному (рис. 5.9). Вещества, состоящие из дипольных молекул, называются полярными.

Рис. 5.9 Рис. 5.10

Например, полярными являются молекулы воды (рис. 5.10), а сама вода - полярная жидкость. Диполи в веществе ориентированы хаотично, но под влиянием внешнего электрического поля они ориентируются, образуя в веществе связанный заряд. Это явление называется поляризацией диэлектриков. Электрическое поле связанного заряда ослабляет внешнее поле Е в ε раз (рис. 5.11).

Рис. 5.11.

Величина е называется диэлектрической проницаемостью ве­щества.

При образовании молекулы энергетические уровни внешних электронов атомов вследствие взаимодействия изменяются; могут также возникать дополнительные уровни. Таким образом, каждый энергетический уровень изолированного атома превращается в ряд близких уровней, вследствие чего спектр излучения и пог­лощения молекул состоит из очень близких спектральных линий и называется полосатым.

Свойства молекулы определяются не только составом ее (т. е. видом входящих в нее атомов), но и пространственной структу­рой.

Особый класс молекул составляют молекулы, содержащие ато­мы углерода. Вещества, состоящие из таких молекул, называются органическими. Число органических веществ (1700 тыс.) значи­тельно превосходит число неорганических (500 тыс.). Большин­ство из них имеет растительное или животное происхождение. Атомы углерода способны соединяться между собой и с атомами других элементов (чаще всего с водородом, кислородом и азо­том), образуя специфические структуры кольца или цепи. При ­чина этого - повышенная прочность ковалентных связей атомов углерода. Рассмотрим в качестве примера органические вещест­ва - углеводороды. Простейшее углеводородное соединение - метан. Молекула его имеет следующую структуру: