Связки, содержащие от двух до шести шаров, максимально удалённых друг от друга

Рассмотрим молекулы с четырьмя электронными парами, находящи­мися в вершинах тетраэдра. В молекуле CF₄ (тип АХ₄) все пары принад­лежат химическим связям, поэтому атомы фтора также расположены в вершинах тетраэдра. В молекуле NF₃ (тип АХ₃Е) одна пара электронов азо­та не участвует в образовании связи, так что молекула имеет форму тре­угольной пирамиды. Наконец, молекула F₂O (тип АХ₂Е₂) с двумя неподеленными электронными парами имеет угловую форму.

МОЛЕКУЛЫ, КОТОРЫЕ СУЩЕСТВУЮТ ТОЛЬКО В ВОЗБУЖДЁННОМ СОСТОЯНИИ

Если сближать друг с другом два атома гелия (электронная конфигурация 1s²), общая энергия всё время повышается: при любом расстоянии она больше, чем сумма энергий изолированных атомов. Это означает, что мо­лекула Не₂ из таких атомов образоваться не может.

Если же один из атомов возбудить и перевести 1s-электрон на 2s-ypoвень, то такой атом способен соединиться с невозбуждённым во вполне устойчивую (с энергетической точки зрения) молекулу. Правда, молеку­ла в возбуждённом состоянии живёт недолго: примерно через 10^-8 секунд после образования она испустит квант света и перейдёт в основное со­стояние, в результате чего немедленно распадётся на атомы.

Молекулы, которые могут существовать только в возбуждённом состо­янии, называют эксимерами (от лат. excito— «возбуждаю»). К ним отно­сятся многие двухатомные молекулы, например Не₂, Ne₂, Ar₂, XeF, KrF, Hg₂. Энергия, выделяющаяся при электронных переходах в подобных мо­лекулах, используется в мощных эксимерных лазерах, работающих в ульт­рафиолетовом и видимом диапазоне.

В молекуле С=О атомы связаны тройной связью: две из этих связей об­разованы по обменному механизму, а третья — по донорно-акцепторному.

Теория Льюиса позволяет не толь­ко описать распределение электро­нов в молекулах, но и рассчитать так называемые эффективные заряды на атомах. Для этого электронный «колхоз» временно «разгоняют», элек­троны, участвующие в химической связи, делят поровну между атомами, подсчитывают общее число электро­нов каждого атома и сравнивают его с числом валентных электронов до образования связи. В молекуле СО на долю углерода приходится пять элек­тронов (два своих и три из шести об­щих), тогда как в свободном атоме уг­лерода — четыре электрона. Лишний электрон означает, что эффектив­ный заряд на атоме углерода в моле-

Силы, действующие в молекулярном ионе H⁺₂ при его образовании из атомов.

куле СО равен -1. Молекула в целом электронейтральна, поэтому заряд на атоме кислорода равен +1.

Следует заметить, что истинные заряды на атомах почти всегда мень­ше эффективных. Так, в молекуле НС1 эффективные заряды атомов Н и Сl равны +1 и -1, а истинные (опре­делённые методами рентгеновской спектроскопии) соответственно +0,2 и -0,2. Чем ближе истинные заряды к эффективным, тем сильнее прояв­ляется ионный характер связи.

ПОЧЕМУ ОБРАЗУЮТСЯ ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ?

Рассмотрим образование простей­шего молекулярного иона H⁺₂;Н+Н⁺ ® H⁺₂.

Сравним его энергию с энергией исходных частиц. Если исходные ча­стицы Н и Н⁺ пребывают в состоянии покоя на большом расстоянии друг от друга, то общая энергия склады­вается из кинетической энергии электрона в атоме Н и потенциаль­ной энергии его притяжения к ядру атома.

Если приблизить частицы Н и Н⁺ друг к другу, то появятся два новых ис­точника энергии: электрон станет притягиваться также к чужому ядру, у которого нет своего электрона, а два ядра будут отталкиваться друг от дру­га. Первый процесс уменьшает общую энергию, второй — увеличивает её.

По мере сближения Н и Н⁺ общая энергия системы сначала уменьшает­ся — до тех пор, пока притяжение электрона к чужому ядру играет глав­ную роль. При расстоянии между ядрами 0,106 нм общая энергия сис­темы становится минимальной. Даль­нейшее сближение ядер приводит к их сильному отталкиванию и, как следствие, к значительному увеличе­нию общей энергии.

Выигрыш в энергии по сравнению с изолированными частицами соста­вляет 268 кДж/моль, причём основной вклад вносит притяжение электрона к чужому ядру. Это и есть энергия хи­мической связи в молекуле.

Итак, главный результат образова­ния химической связи — уменьшение общей энергии системы ядер и элек­тронов, а достигается он путём совме­стного использования электронов разными ядрами. Тем самым под­тверждается гениальная догадка Томсона о том, что главную роль в хими­ческой связи играют электроны.

КАК ИЗОБРАЗИТЬ ХИМИЧЕСКУЮ СВЯЗЬ? ПОНЯТИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ПЛОТНОСТИ

Очень наглядное представление о химической связи даёт квантовая механика. Эта наука позволяет с вы­сокой точностью рассчитать рас­пределение электронов в молекуле. Функцию, которая описывает вероят­ность нахождения электронов в лю­бой точке молекулы, называют элек­тронной плотностью. Её измеряют в долях единицы, а для её изображе­ния обычно используют поверхно­сти равной плотности, т. е. выбира­ют какое-либо значение, например 0,002 или 0,08, и показывают все точки в пространстве, в которых электронная плотность принимает это значение (трёхмерное изображе­ние). Есть и другой способ — выбрать какую-либо плоскость (сечение) и рассматривать значения электрон­ной плотности только в этой плоско­сти (контурная карта).

Чем же хороша электронная плот­ность? Во-первых, она позволяет изо­бразить так называемое электрон­ное облако молекулы. Поверхность с электронной плотностью 0,002 обыч­но сосредотачивает в себе больше 98% всей электронной плотности,