Вопрос 29. Образование общей электронной пары

2. Механизм образования общей электронной пары

При сближении 2-х атомов, имеющих во внешних электронных оболочках не спаренные электроны с антипараллельными спинами, между ними начинает действовать взаимное притяжение. В результате эти атомы сближаются еще больше, происходит замыкание полей и образование электронных пар.

Однако расчет показал, что само по себе замыкание магнитных полей электронов со спинами противоположных направлений дает лишь очень небольшую часть той общей энергии, которая выделяется при образовании прочной валентной связи между атомами.

Наличие не спаренных электронов следует рассматривать лишь как необходимое условие образования химической связи, являющейся результатом глубокого взаимодействия электронной пары с ядрами обоих атомов, где основное значение имеют электрические силы.

Квантово-механический расчет показывает, что пребывание электронной пары в ионе 2-х ядер энергетически выгоднее, чем нахождение каждого не спаренного электрона в поле своего ядра.

Энергия взаимодействия электронной пары с ядрами обоих атомов зависит от расстояния между реагирующими атомами. Так на больших расстояниях эта энергия практически равна нулю. По мере сближения атомов увеличивается их взаимное притяжение, обусловленное электростатическим притяжением электронной пары обоими ядрами.

Дальнейшее сближение атомов приводит к резкому преобладанию сил отталкивания. Поэтому химическая связь между 2-мя атомами характеризуется строго определенным расстоянием между ядрами, при котором притяжение между атомами максимально. Это расстояние называется длиной связи.

Квантово-механические расчеты молекулы водорода показали, что при сближении 2-х атомов водорода с антипараллельными спинами энергия системы в целом уменьшается, проходит через минимум и при дальнейшем сближении атомов резко возрастает вследствие взаимного отталкивания положительно заряженных ядер.

Минимальное значение энергии системы оказывается значительно ниже суммы энергий 2-х атомов водорода. Это означает, что при определенном сближении 2-х атомов водорода с антипараллельными спинами возможно образование прочной молекулы водорода H2. Напротив, сближение 2-х атомов водорода с параллельными спинами сопровождается непрерывным возрастанием энергии системы. Следовательно, образование молекулы водорода в этом случае невозможно.

Образование химической связи между 2-мя атомами рассматривается как результат перекрывания их электронных облаков при сближении взаимодействующих атомов. Вследствие такого перекрывания облаков плотность отрицательного электрического заряда в пространстве между 2-мя ядрами атомов возрастает.

Положительно заряженные ядра притягиваются к области перекрывания электронных облаков, в результате чего и образуется молекула. Эти представления о механизме взаимодействия 2-х атомов легли в основу теории химической связи, именуемой методом валентных связей.

Из сказанного следует, что валентность элемента определяется числом не спаренных электронов, принимающих участие в образовании химической связи. Валентные электроны элементов главных подгрупп расположены на s- и p-орбиталях внешнего электронного слоя; у элементов побочных подгрупп, за исключением лантаноидов и актиноидов, валентные электроны расположены на d-орбитали последнего (внешнего) слоя и s-орбитали предпоследнего электронного слоя.