О ПРИРОДЕ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
Автор: Михаил Иоелович, академик, профессор, доктор химических наук
Разнообразные вещества и материалы, как известно, состоит из атомов, ионов и молекул. Примером атомного строения материи являются некоторые простые вещества такие как гелий, аргон, неон и др. В обычных условиях эти вещества являются инертными газами, но при охлаждении они образуют жидкости и кристаллы, состоящие из атомов соответствующих простых веществ, соединенных слабыми межатомными ван-дер-ваальсовыми связями дисперсионной природы.
Металлы имеют кристаллическую решетку, в узлах которых расположены положительные ионы (катионы) металла. А между катионами беспорядочно движутся общие электроны, которые соединяют положительно заряженные ионы
отрицательными кулоновским силами, предотвращая тем самым распад металлической решетки под действием сил отталкивания между положительными ионами. Таким образом, кулоновское отталкивание между положительно заряженными катионами компенсируется их притяжением к общим связывающим электронам.
Ионная химическая связь существует в типичных ионных кристаллах, состоящих из катионов и анионов. Типичном примером таких кристаллов является хлористый натрий, в котором галоген – хлор, захватывает внешний валентный электрон щелочного металла и превращается в анион с завершенной устойчивой 8-электронной оболочкой,
в натрий лишается валентного электрона и превращаемся в катион, имеющий также устойчивую 8-электронную оболочку. Таким образом, химическая связь в ионных кристаллах осуществляется за счет кулоновского взаимодействия между разноименно заряженными ионами, образующими кристаллическую решетку.
Труднее всего объяснить природу ковалентной неполярной и полярной химической связи между атомами в молекулах. В учебниках по химии приводится простейший пример — образование молекулы водорода из двух атомов этого элемента путем
спаривания электронов соседних атомов. Согласно теории молекулярных орбиталей, перекрывание двух атомных орбиталей приводит в простейшем случае к образованию двух молекулярных орбиталей — связывающей и разрыхляющей. Причем, пары обобществленных электронов располагаются на более низкой по энергии связывающей орбитали.
Некоторые учебники предлагают модель, согласно которой валентные электроны соседних атомов рассматривается не как частицы, а как волны. При интерференции этих волн в одной фазе, они будут усиливаться, что трактуется как образование
химической связи. Однако усиление амплитуды означает увеличение энергии, что противоречит теории молекулярных орбиталей, согласно которой при связывании в электронную пару энергия должна уменьшаться. С этой точки зрения, для образования химической связи с наименьшей энергией электронные волны должны интерферировать в противофазе.
Независимо от модели образования ковалентной связи, никто не объясняет как такое связывание вообще возможно, если два отрицательно заряженных электрона в паре должны отталкивается, а не связываться. Прежде всего следует отметить, что при спаривании спины электронов всегда направлены в противоположную сторону.
Второе важное замечание состоит в том, что кроме энергетических характеристик и заряда, движущийся электрон имеет и магнитный момент. Если спины валентных электронов двух атомов при спаривании будут направлены в одну сторону, то их магнитное взаимодействие должно приводит к усилению кулоновского отталкивания электронов в паре, что делает образование ковалентной химической связи невозможным.
Однако, если при спаривании электронов соседних атомов их спины станут антипараллельными, т.е. будут направлены в противоположных направлениях, то их магнитное взаимодействие будет вызывать достаточно сильное притяжение электронов, способное, по-видимому, преодолеть кулоновское отталкивание.
Таким образом, образование ковалентной химической ковалентной связи между атомами в молекуле можно объяснить магнитным притяжением спаренных электронов, имеющих противоположно направленные спины, которые формируют связывающую молекулярную орбиталь.
Иллюстрация: Calc.ru
