В.В.Загорский
Трудные темы школьного курса химии

Химическая связь и строение молекул

Урок 1. Современные подходы к теории химической связи

Неловко вспоминать, сколько
студентов мы провалили по
химии за незнание того, что,
как мы позже выяснили,
оказалось неправдой:

Роберт Л. Уэбер
"Наука с улыбкой" (1992)

По определению Лайнуса Полинга [] [ 1]:

'Мы будем говорить, что между двумя атомами или группами атомов имеется химическая связь в том случае, если силы, действующие между ними, приводят к образованию агрегата, достаточно стабильного, чтобы химик мог рассматривать его как независимое молекулярное образование.'

В современных химических исследованиях благодаря распространению мощных ЭВМ широко применяются неэмпирические квантовые расчеты, в которых из экспериментальных данных используются только заряды ядер атомов. В неэмпирической квантовой химии практически исчезло упоминание о типе гибридизации или порядках связей (т.е. на схемах не рисуют двойные и тройные связи, а только указывают их силовые характеристики). Не используются и условные классификации (ионная, ковалентная, донорно-акцепторная, металлическая связь).

Таким образом, ситуация в химии сильно изменилась по сравнению с периодом создания первых теорий химической связи:

"Любую попытку применить математические методы при изучении химических вопросов следует рассматривать как абсолютно неразумную и противоречащую духу химии... Если когда-либо математический анализ займет в химии видное место - что, к счастью, почти невозможно - то это привело бы к быстрому и полному вырождению этой науки" [Огюст Конт, 1830 г.].

Тем не менее большинство теоретических представлений о химической связи, входящих в современные школьные и даже вузовские учебники, основаны на подходах, характерных для периода бурного развития квантовой механики, когда вычислительные возможности не позволяли реализовать все ее достижения:

"Физические законы, составляющие основу математической теории большей части физики и всей химии, таким образом, досконально изучены; трудность заключается лишь в том, что строгое применение этих законов приводит к уравнениям настолько сложным, что их невозможно решить. Поэтому желательно разработать на основе квантовой механики приближенные практические методы, с помощью которых можно было бы без лишних расчетов выяснять особенности систем, состоящих из атомов". [ Dirac P.A.M., Proc. Roy. Soc.(London), 123 , 714 (1929).]

Из возможных классификаций химической связи мы будем придерживаться только ее деления на крайние случаи - связь за счет в основном кулоновского взаимодействия между ионами (ионная связь) и связь за счет образования общих для двух или нескольких атомов электронных пар (ковалентная связь ).

Определения этих типов химических связей есть практически в любом учебнике [], так что на них мы останавливаться не будем.

Прочность ионной и ковалентной связи

Понятия:

• моль, число Авогадро,
  
• закон Кулона,
  
• правило "8-ми электронов",
  
• спин электрона.

Литература:

1. Элементарный учебник физики. т.2 Электричество и магнетизм/ Под ред. Г.С.Ландсберга , 7-е изд. - М.: "Наука", 1971. - 527 с., с.37
2. Гузей Л.С., Сорокин В.В., Суровцева Р.П. Химия: Проб. учеб. для 9 кл . - М.: Просвещение, 1995. - 160 с., с. 132
3. Гальбрайх Л.С. Химические волокна. Соросовский образовательный журнал, 1996, N 3, с.42-48.

Ситуация:

Предположим, что мы готовим примерно ведро вареной картошки (супа). Бросаем в него столовую ложку (58,5 г) поваренной соли. Давайте попробуем вычислить, с каким усилием надо 'размешивать' соль, чтобы она растворилась и распалась на ионы, т.е. чтобы разрушилась кристаллическая решетка хлорида натрия [ ].

На доске (экране):

NaCl Na ⁺ + Cl^-

58,5 г

Вопросы классу:

• Как образуется ионная связь?
  
• Что такое "правило 8-ми электронов"?
  
• Знаете ли Вы закон Кулона?

Предположим, что в ведре воды среднее расстояние между ионами натрия и хлора будет 1 см. С какой силой притягивается моль ионов друг к другу? Оценим ее, пользуясь законом Кулона [ ].

На доске (экране):

F = (9,2*10 ⁸ q₁ q₂ )/ r² кг; q₁ = q₂ = 1,6*10q^-19 Кл ; r = 1 см = 10^-2 м

Далее записываем: F = 9,2*10 ⁸ (1,6*10 ^-19)²/ 10^-4= ...

Но! Мы забыли про моль ионов, поэтому получающуюся очень маленькую величину надо еще умножить на (6*10²³)²

Тогда получим примерно 850*10¹²*10^-38*10⁴⁶кг = 8,5*10²² кг или 8,5*10¹⁹ т!!!
Трудно, однако, будет размешивать поваренную соль...

Вопрос классу:

А почему соль сама распадается на ионы при растворении в воде? (вспомним про диполи воды)

Вывод: ионная связь прочная, и ее рвут тоже ионные силы. Поэтому в бензине соль почти не растворяется.

Если химическая связь образуется между одинаковыми атомами (ковалентная), кулоновское взаимодействие не столь очевидно. Известно, что ковалентная связь образуется благодаря общим для двух или нескольких атомов электронным парам. А для образования пар имеют значение ориентации электронных спинов.

Демонстрация: два кольцеобразных магнита (от маленьких динамиков или от магнитных защелок) на горизонтальной стеклянной палочке (шариковой ручке) - они либо притягиваются ("спины антипараллельны "), либо отталкиваются ("спины параллельны"). Это очень грубая модель!

Попробуем оценить прочность ковалентной связи.

На доске (экране) :

(все приводимые цифры) Рассмотрим полиэтилен - нить сечением 1 мм 2 . Длина С-С связи 0,154 нм, прочность связи около 206 кДж /моль.

Поскольку длина С-Н связей 0,110 нм, а молекула изогнута [ ( конформация ) (модель) ], можно принять, что условный "диаметр" молекулы полиэтилена составляет 0,25 нм. Площадь сечения молекулы полиэтилена составит ( D² /4) = 0,05 нм².

1 мм ² соответствует 10¹²нм²
(поскольку 1 мм = 10 ^-3 м, а 1 нм = 10^-9 м 1 мм = 10⁶ нм)
В сечении 1 мм² помещается 10¹²/0,05 = 2*10¹³ молекул

Сила их связи примерно: 206*10³(2*10¹³/6*10²³ ) Дж или 70*10^-7 Дж.

Так как в 1 кг*м - 9,8 Дж, получим силу 7*10 ^-7 кг*м на 1 мм² полиэтиленовой нити. Чтобы эту нить порвать, нужно приложить такое усилие, чтобы превысить длину химической связи в 2 раза (условно примем такое удлинение как достаточное).

Тогда получим величину усилия (прочности на разрыв):

7*10^-7кг*м /0,15*10^-9м = 47*10² кг или 4,7 т на 1 мм ² полиэтилена!

Это - сила моих пальцев (учитель легко рвет полиэтиленовый пакет).

Вопрос классу:

Почему реальный полиэтилен не такой прочный?
(волокна перепутаны и не дают "эффекта веника")

Тем не менее на практике уже достигнута прочность полиэтилена в 350 кг на 1 мм ² , что почти равно прочности стальной проволоки (400 кг на 1 мм² ). Поэтому из такого полиэтилена сейчас делают солдатские каски []. Волокна сверхпрочного полиэтилена формируют из геля - концентрированного вязкого раствора.

Модный ныне для пошива бронежилетов кевлар [ ] (400 кг на 1 мм² ) - синтетический ароматический полиамид ; структура полимера способствует высокой упорядоченности волокон. При этом прочность связи C-N меньше, чем связи С-С и составляет всего 138 кДж /моль.

Для любопытных - структура кевлара :

...- NH-C₆ H ₄ -C(CO)-NH-C₆ H ₄ -C(CO)-

Общий вывод: у материаловедения еще есть перспективы приблизить практическую прочность к теоретической.

Опубликовано:

1. Пупышев В.И. Современные представления о химической связи В: Современное естествознание: Энциклопедия в 10 т. - М.: Флинта: Наука, 1999-2000., т.1. Физическая химия. - 328 с.