Для сложных атомов возможность такого обмена возникает всегда, когда внешние электронные оболочки атомов имеют неспаренные по снину электроны. Только в этом случае возможен обмен электронами без нарушения принципа Паули.
Рассмотрим с этой точки зрения возможность объединения в молекулу атома гелия и атома водорода рисунок
Обмен электронами с противоположными спинами здесь невозможен, поскольку при этом на ядре гелия оказалось бы два электрона с одинаково направленными спинами в противоречии с принципом Паули. Из-за отсутствия неспаренного спина атом гелия не может образовать химическую связь ни с одним из атомов. Этим свойством обладают все инертные элементы (***), имеющие только замкнутые электронные оболочки, полностью скомпенсированные как по спину, так и по орбитальному моменту. По определению, все эти элементы обладают валентностью, равной нулю. По этому же определению, валентностью называется число неспаренных по спину электронов во внешней оболочке атома. Как правило, это число совпадает с удвоенным спином атома. Однако это правило не следует понимать слишком буквально. Так, например, атом бериллия (**), содержащий четыре электрона и имеющий конфигурацию ***, согласно этому правилу должен обладать нулевой валентностью, в то время как его экспериментально установленная валентность равна двум. Дело здесь в том, что в непосредственной энергетической близости к состоянию (**), полностью заполненном электронами, находится состояние (**), где для электронов имеется 6 свободных мест. Поэтому спаренные (**) электроны ради энергетической выгоды, которую даст объединение в молекулу, готовы "разлучиться", и один из них переходит в соседнее **-состояние. При этом возникают два неспаренных спина, и валентность ** оказывается равной двум.
Аналогичная картина имеет место для атома бора ** с электронной конфигурацией *** и атома углерода * с конфигурацией ***. Первый из них обладает валетностью, равной трем, а второй -- четырем.
Для электронов, заполняющих ** состояние, соседний энергетический уровень расположен далеко, поэтому участвовать в химической связи они не могут. По этой же причине химически нейтральными оказываются все атомы с полностью заполненными энергетическими оболочками (инертные элементы).
3. Общие свойства ковалентного взаимодействия атомов
Связь атомов в молекулу, обусловленная обменом неспаренных электронов, носит название ковалентной или гомеополярной.
Последний термин означает, что при объединении в молекулу атомы остаются нейтральными, т.е. обладают одинаковой полярностью -- одинаковым, равным нулю зарядом. Это отличает ковалентную связь от ионной (гетерополярной), когда при объединении в молекулу один или несколько электронов уходят с одного атома на другой, превращая их, соответственно, в положительный и отрицательный ионы.
Ковалентная связь обладает следующими характерными свойствами:
1. Ковалентная связь является короткодействующей
Действительно, мы видели, что обменное взаимодействие связано с перекрытием электронных оболочек атомов. Отсюда следует, что характерным размером взаимодействия является "размер" атома, совпадающий по порядку величины с боровским радиусом *.
2. Ковалентная связь обладает свойством насыщения (поясним это свойство на примере атомов водорода).
Если молекулу водорода сблизить с третьим атомом водорода до расстояния, когда начнется перекрытие электронных оболочек, возникает следующая ситуация рисунок
Одинокий атом водорода получит возможность обменяться своим электроном с электронами молекулы. Однако при обмене электронами с противоположными спинами, от которого можно ожидать только эффекта притяжения, оба электрона на молекуле станут однонаправленными по спину, а следовательно, молекула перейдет в состояние, когда ее атомы отталкиваются друг от друга. Прежняя молекула развалится, и объединения в трехатомную молекулу не возникает.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.