35. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ХИМИЧЕСКИХ И МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ СВЯЗЕЙ. ИОННАЯ СВЯЗЬ
Атомы в молекулах и кристаллах удерживаются почти полностью силами электростатического притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными ядрами. Роль сил магнитного происхождения весьма незначительна, а гравитационными силами вообще можно пренебречь. Взаимодействие атомов, возникающее в результате частичного или полного обобществления электронов и сопровождающееся уменьшением полной энергии молекул и кристаллов по сравнению с полной энергией их атомов в свободном состоянии, когда атомы удалены друг от друга на бесконечные расстояния, называется химической связью, а разность этих двух энергий – энергией химической связи.
Различают следующие основные типы химических связей:
1) ионная, или гетерополярная;
2) ковалентная, или гомеополярная;
3) металлическая.
К основным типам межмолекулярных связей относят связь Ван дер Ваальса и водородную связь. Кратко рассмотрим каждый из названных типов связей.
Ионная связь обусловлена электростатическим взаимодействием противоположно заряженных ионов. К числу молекул с ионной связью можно отнести хлориды калия, натрия, окисел магния и прочее, а также кристаллы с аналогичным химическим составом. За счет электростатического притяжения ионы сближаются, их внешние электронные оболочки начинают перекрываться (рис. 1), что приводит к возникновению сил отталкивания.
Рис. 1. Область перекрытия ионов K+ и Cl-, аппроксимированных сферами резко ограниченных радиусов в молекуле KCl
Отталкивание объясняется взаимодействием электронных оболочек ионов с учетом принципа Паули. Этот тип отталкивания является основным во всех молекулах, кроме самых легких (например, H2). Отталкивание связано также с электростатическим взаимодействием ядер, но для всех молекул, за исключением самых легких, оно не является основным. На некотором расстоянии между ядрами силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания, при этом энергия молекулы принимает минимальное значение, что соответствует устойчивому состоянию молекулы.
36. КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ
Ковалентная связь осуществляется посредством обобществления двух валентных электронов (по одному от каждого из двух соседних атомов в молекуле). Пара обобществленных электронов принадлежит одновременно двум атомам молекулы. Электроны, образующие связь, стремятся к частичной локализации в пространстве между двумя атомами, соединенными этой связью. В этом смысле ковалентная связь характеризуется явно выраженным свойством направленности. Это хорошо видно на примере молекулы метана CH4 (рис. 1). У атома углерода четыре валентных (внешних) электрона, а каждый из атомов водорода имеет один электрон. Эти восемь электронов сосредоточены главным образом вдоль прямых, соединяющих протоны (ядра атома водорода) с ядром атома углерода.
К образованию ковалентных связей имеют тенденцию атомы III, IV и V групп периодической системы элементов. Так, углероду, кремнию и германию не хватает четырех электронов до заполнения их электронных оболочек, и поэтому атомы этих элементов могут притягиваться в основном за счет перекрытия оболочек. К веществам с ярко выраженной ковалентной связью относятся кристаллы алмаза, кремния, карбида кремния, арсенида галлия и др.
Если кристаллы с ковалентным и ионным типами связи рассматривать как предельные случаи, то между ними имеется ряд кристаллов, обладающих промежуточными типами связи.
Рис. 1. Геометрия молекулы метана. Ядра водорода расположены в вершинах правильного тетраэдра, или в четырех из восьми вершин куба. Электроны сконцентрированы вдоль прямых «углерод – водород»
37. МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ. СВЯЗЬ ВАН ДЕР ВААЛЬСА
Металлическая связь реализуется в кристаллах различных металлов и не имеет аналога в двухатомных молекулах. В металлических кристаллах атомы расположены настолько близко, что волновые функции внешних электронов существенно перекрываются. Вследствие этого валентные электроны получают возможность переходить от одного атома к другому и могут довольно свободно перемещаться по всему объему кристалла. Таким образом, валентные электроны в металле нельзя считать связанными с одним или несколькими ионами металла, они являются общими для всего объема металла. Поэтому валентные электроны в металлах принято называть «обобществленными» или «коллективизированными».
Свободно перемещающиеся электроны в металле во многом напоминают молекулы газа, находящегося в сосуде. Поэтому для обозначения совокупности свободных валентных электронов внутри металлического кристалла используется термин «электронный газ». Электронный газ, несущий отрицательный заряд, связывает в прочную систему положительно заряженные ионы металла. Без «цементирующего» действия электронного газа одноименно заряженные ионы металла должны были бы удаляться друг от друга под действием кулоновских сил отталкивания, что привело бы к разрушению кристалла. Таким образом, под влиянием двух противоположных сил – «стягивающего» действия коллективизированных электронов и сил отталкивания между ионами – последние располагаются на определенном расстоянии друг от друга, соответствующем минимуму энергии системы.
Связь Ван дер Ваальса – это связь между атомами или молекулами, обусловленная взаимодействием их электрических дипольных моментов. Вандерваальсовы силы взаимодействия возникают между полярными молекулами, обладающими постоянными дипольными моментами (такими как H2O, HCl и т. д.), за счет поляризации неполярных молекул полярными, а также за счет создания мгновенных дипольных моментов. Мгновенные дипольные моменты создаются благодаря тому, что электроны и ядра в атомах и неполярных молекулах находятся в постоянном движении. Вследствие этого центры отрицательных и положительных зарядов, вообще говоря, не совпадают. В результате создается мгновенный дипольный момент в атоме или молекуле, который своим электрическим полем поляризует соседний атом или молекулу, а это означает появление второго диполя. Взаимодействие диполей приводит к сближению атомов или молекул, в результате электронные оболочки начинают перекрываться и взаимодействовать, что приводит к появлению сил отталкивания, компенсирующих силы притяжения. Это создает условия образования кристаллов из нейтральных атомов (например, из инертных газов) или неполярных молекул.
38. ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ
Атом водорода имеет только один электрон, следовательно, он должен обладать одной связью, позволяющей ему вступать в соединение лишь с каким-либо одним атомом другого сорта. Однако при некоторых условиях атом водорода может быть связан значительными силами притяжения одновременно с двумя атомами, образуя тем самым так называемую водородную связь между ними. Принято считать, что водородная связь имеет в основном ионный характер, поскольку она возникает лишь между наиболее электроотрицательными атомами, в частности между атомами фтора, кислорода и азота. В предельном случае, когда водородная связь носит чисто ионный характер, атом водорода теряет свой единственный электрон и, отдавая его одному из двух атомов молекулы, превращается в протон, который и осуществляет связь между атомами. Малые размеры протона не позволяют ему иметь ближайшими соседями более чем два атома; атомы столь сильно сближены, что на таком малом участке не могут поместиться более двух атомов. Таким образом, водородная связь осуществляется только между двумя атомами (рис. 1).
Водородная связь является важнейшей формой взаимодействия между молекулами Н2О и обусловливает вместе с электростатическим притяжением электрических дипольных моментов удивительные физические свойства воды и льда. Водородная связь играет важную роль в химических и биологических процессах: обеспечивает полимеризацию фтористоводородных соединений, определяет размеры и геометрическую структуру белковых молекул, обусловливает отчасти возможность спаривания двух спиралей молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты).
Рис. 1. Пример водородной связи между ионами фтора в HF2- Показан предельный случай, когда связь осуществляется с помощью протона
39. МОДЕЛЬ РАЗДУВАЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ ГУТА
В 1980 году американский ученый А. Гут (род. 1947) высказал предположение о том, что ранняя Вселенная пережила период очень быстрого расширения. Это расширение называют раздуванием или инфляцией (от лат. inflatio – вздутие), подразумевая, что какое-то время расширение Вселенной происходило со все возрастающей скоростью.
