ПОМІРКУЙТЕ
Як ви вважаєте, які частинки мають взаємодіяти одна з одною, щоб атоми сполучалися в молекули?
Хімічний зв’язок виникає завдяки взаємодії позитивно заряджених ядер та негативно заряджених електронів. Під час зближення атомів ядро одного з них притягує електрони іншого. В утвореній молекулі електрони переважно перебувають у просторі між ядрами, притягуючи їх і забезпечуючи стійкість системи.
Зважаючи на те, що вам відомо про електронну будову атомів, сформулюйте гіпотезу: атоми яких хімічних елементів прагнуть утворити зв’язок з іншими атомами, а яких — ні.
Атоми інертних елементів мають стійкі електронні оболонки (заповнений зовнішній рівень), тому вони хімічно інертні й не прагнуть утворювати зв’язки. Атоми всіх інших елементів прагнуть змінити свою оболонку на таку, як у найближчого інертного елемента, віддаючи або приєднуючи електрони для досягнення восьмиелектронного стану (правило октету).
Зважаючи на те, що хімічні елементи можуть бути металічними або неметалічними, чи однакові зв’язки утворюватимуться між атомами будь-яких елементів?
Типи хімічного зв’язку відрізняються залежно від природи атомів, що взаємодіють. Між атомами неметалічних елементів зазвичай виникає ковалентний зв’язок, а в сполуках, утворених металічними та неметалічними елементами — йонний. У металах та їхніх сплавах існує металічний зв’язок.
РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ
357. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про дослідження Дж. Льюїса щодо формулювання теорії хімічного зв’язку. Підготуйте ілюстровану доповідь.
Джилберт Льюїс у 1916 році запропонував електронну теорію, згідно з якою хімічний зв’язок виникає внаслідок утворення спільних електронних пар між атомами. Він сформулював «правило октету», зазначивши, що атоми прагнуть досягти стабільної восьмиелектронної оболонки, як у інертних газів (за винятком гелію, що має два електрони). Для візуалізації цього процесу вчений запровадив використання точок (символи Льюїса) навколо позначення елемента, що відображають кількість валентних електронів.
Становлення електронної теорії
До досліджень Льюїса наукова спільнота переважно розуміла лише іонний зв’язок, що базувався на повному перенесенні електронів. У своїй фундаментальній праці «Атом і молекула» (1916) Льюїс довів, що атоми можуть утримуватися разом, розділяючи електрони парами. Це відкриття дозволило пояснити природу ковалентного зв’язку, який є основою структури більшості органічних і неорганічних речовин.
Правило октету та символи Льюїса
Центральною ідеєю досліджень стала концепція «кубічного атома», де вісім електронів займають кути куба, що згодом трансформувалося у правило октету. Льюїс запропонував позначати валентні електрони точками навколо символу хімічного елемента, що значно спростило моделювання хімічних реакцій. Пара точок між атомами позначає спільну електронну пару, а крапки навколо одного атома — неподілені пари.
Розвиток і значення ідей Льюїса
Теорія Льюїса стала фундаментом для подальшого розвитку квантової хімії та теорії молекулярних орбіталей. Ірвінг Ленгмюр згодом популяризував ці ідеї, ввівши термін «ковалентність» для опису зв’язку через спільні пари. Хоча існують винятки, як-от гіпервалентні молекули або дефіцитні сполуки, структури Льюїса залишаються основним інструментом хіміків для прогнозування геометрії та реакційної здатності молекул.
358. Скільки електронів не вистачає до октету атомам Нітрогену, Хлору, Сульфуру, Карбону, Флуору, Оксигену?
Атому Нітрогену до октету не вистачає 3 електронів, Хлору — 1, Сульфуру — 2, Карбону — 4, Флуору — 1, а Оксигену — 2 електронів.
РОЗУМІННЯ ЯВИЩ ПРИРОДИ (РОБОТА В ГРУПАХ)
359. До електронної оболонки атомів яких інертних елементів прагнуть атоми Літію, Оксигену, Кальцію, Алюмінію, Хлору? Атоми цих елементів будуть віддавати чи приєднувати електрони під час утворення хімічних зв’язків?
Атом Літію прагне до електронної конфігурації Гелію, Оксиген — Неону, Кальцій — Аргону, Алюміній — Неону, а Хлор — Аргону. Під час утворення зв’язків атоми металів (Літій, Кальцій, Алюміній) віддають електрони, а атоми неметалів (Оксиген, Хлор) — приєднують їх.
360. Визначте число електронів, які можуть віддати атоми Літію, Магнію, Калію, Алюмінію, Фосфору, Хлору.
Атоми Літію та Калію можуть віддати по 1 електрону, Магній — 2, Алюміній — 3. Фосфор та Хлор як неметали зазвичай приєднують електрони для завершення октету (Фосфор — 3, Хлор — 1), проте в певних типах зв’язку вони можуть віддавати валентні електрони: Фосфор — до 5, Хлор — до 7.
361. Оцініть, чи правильно міркують учні: 1) Притягання між атомами Гідрогену в молекулі понад 5000 разів сильніше, ніж між атомами Гелію; 2) Відстань між атомами Гідрогену в молекулі майже в 4 рази менша, ніж між двома атомами Гелію; 3) Точка мінімуму на графіку потенційної енергії відповідає найбільш вигідному положенню атомів.
Усі три твердження учнів є правильними.
Енергія зв’язку в молекулі $H_2$ (430 000 Дж/моль) у понад 5650 разів перевищує енергію взаємодії атомів Гелію (76,1 Дж/моль).
Відстань між ядрами атомів Гідрогену становить 0,74 Å, що приблизно в 4 рази менше за відстань між атомами Гелію (3 Å).
Мінімум на графіку потенційної енергії відповідає найвигіднішій відстані (довжині зв’язку) з найменшою енергією системи