Природа химической связи

Химическая связь – взаимодействие атомов, обуславливающее их соединение в молекулы и кристаллы.

В 1807 г. Дэви предположил, что молекулы образуются благодаря электрическому притяжению разноименно заряженных атомов. Берцелиус развил эту идею и в 1812-1818 гг. создал электрохимическую теорию химической связи. Согласно теории любой атом обладает как положительным, так и отрицательным полюсами. Атомы с преобладанием положительного полюса притягиваются к атомам с преобладанием отрицательного. Получившаяся молекула может также обладать избыточным зарядом, положительным или отрицательным, и притягиваться к другой молекуле. Например:

Са⁺ + О^– → СаО⁺ ; СаО⁺ + CO₂^– → CaCO₃ .

Однако теория Дэви-Берцелиуса не могла объяснить существование ряда молекул, например, H₂, Cl₂, O₂, образованных одинаковыми атомами.

В 1860-е годы Бутлеров разработал теорию химического строения, в которой выдвинул следующее положение:

Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности в соответствии с их валентностью, и от этой последовательности зависят свойства вещества.

Валентность – это свойство атома соединяться с некоторым числом других атомов. Бутлеров предложил изображать внутреннюю структуру молекул в виде формул вида:

Н – Cl ; H – O – Cl ;

, где черточка обозначает химическую связь между атомами.

После открытия электрона и строения атома валентность стали связывать с числом электронов на периферии атома. В 1916 году Льюис предположил, что ковалентная химическая связь возникает путем образования электронной пары, общей двум атомам, и поэтому молекула является более устойчивой системой, чем отдельные атомы.

H • + H • → H : Н (образование молекулы Н₂).

В том же году Кóссель высказал подобную идею об образовании ионной связи. Однако, в этом случае, один из атомов полностью отдает валентный электрон другому атому. Устойчивость соединения обеспечивается электрическим притяжением образовавшихся ионов. Na • + • : → Na⁺ Cl^– (образование соединения NaCl).

Если ввести понятие энергии химической связи, как энергии, необходимой для ее разрыва, то закон сохранения энергии приводит к выводу о том, что устойчивая молекула может образоваться только при уменьшении потенциальной энергии взаимодействия электронов и ядер исходных атомов. В рамках квантовой механики это взаимодействие микрочастиц в молекуле в принципе может быть описано теоретически путем решения уравнения Шрёдингера для системы электронов и ядер при наименьшем значении потенциальной энергии.

Однако, для многоэлектронных систем точное решение получить не удается ввиду математических трудностей, и поэтому в практических расчетах используют приближенные решения, которые согласуются с экспериментальными данными об энергиях связи и межъядерных расстояниях в молекулах.

Впервые такой расчет был проведен в 1927 г. для молекулы Н₂ (Гейтлер, Лондон).

Взаимодействие электрона с ядром в каждом атоме Н они считали основным взаимодействием, а взаимодействия между электронами и ядрами разных атомов Н учли в виде малых поправок к основному взаимодействию. В результате решения уравнения Шрёдингера удалось получить зависимость энергии (W) системы от расстояния между ядрами r. Оказалось, что существует определенное расстояние r₀, соответствующее минимуму W.
В пространстве между ядрами достигается также наибольшая плотность отрицательного заряда, получающаяся при перекрытии двух электронных облаков. Устойчивость молекулы Н₂ обеспечивается притяжением ядер атомов к области наибольшей плотности электронного заряда в межъядерном пространстве.

В дальнейшем Пóлинг распространил метод Гейтлера-Лондона на другие молекулы с ковалентной связью, а потом различные методы квантовой механики были применены также к другим типам химической связи. Параллельно проводились экспериментальные исследования молекулярных структур.

Таким образом, начиная с 1930-х гг. можно говорить о появлении квантовой химии, как раздела теоретической химии, рассматривающей химические явления с точки зрения квантовых представлений о веществе. В настоящее время считается, что:

1) любая химическая связь есть вид электромагнитного взаимодействия электронов и ядер атомов в молекулах;

2) ее образование сопровождается перестройкой электронной структуры атомов;

3) положение электронов относительно ядер определяет тип химической связи;

4) современная теория химической связи должна использовать квантовую механику.