ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Строение атомов и периодическая система элементов. Ионные и ковалентные связи из "Электронная теория органической химии Издание 2" Автор надеется, что несмотря на небольшой объем, предлагаемая вниманию читателя книга в известной степени восполнит существующий пробел. Для более подробного ознакомления с вопросом следует обратиться к обзорам и монографиям по современной электронной теории, список которых приведен в конце книги. [c.4] В начале XIX в. среди химиков господствовали электрохимические или дуалистические представления о природе связи между атомами в молекулах. Они были введены Берцелиусом и основывались на замечательных открытиях, сделанных в этот период, на электролитическом разложении воды, растворов солей и расплавленных щелочей. Согласно дуалистической теории соединения образуются атомами или частицами, несущими противоположные заряды, и силой, удерживающей атомы в соединении, является взаимное притяжение зарядов противоположного знака. [c.5] Эта теория не находилась в противоречии с опытными данными из области органической химии, известными в то время. Однако в конце тридцатых годов была открыта реакция замещения водорода в органических соединениях хлором. Было показано, что электроположительный водород в радикале уксусной кислоты может быть заменен электроотрицательным хлором, причем химические свойства уксусной кислоты мало изменяются. [c.5] Явление металепсии оказалось несовместимым с дуалистической теорией и заставило химиков в конце концов от нее отказаться. Дуалистическая теория Берцелиуса была заменена унитарной теорией, согласно которой электрохимической противоположности элементов не придавалось значения. [c.5] Под влиянием торжества структурной теории электрохимические представления Берцелиуса были забыты. Структурными формулами стали изображать все химические соединения, в том числе минеральные кислоты, соли и основания. Черта сделалась универсальным символом связи между атомами. Так продолжалось почти до конца столетия, когда в связи с теорией электролитической диссоциации пришлось, по крайней мере, частично, а именно, для сильных кислот, оснований и солей в водных растворах, возвратиться к дуалистическим представлениям о противоположно заряженных частицах. С другой стороны, для комплексных соединений было показано, что строение их определяется не валентностью центрального атома, а его координационным числом. [c.6] Таким образом, к началу XX в. в химии существовали одновременно три теории химической связи электрохимическая или ионная для неорганических соединений, структурная для органических и координационная для комплексных. Каждая теория хорошо систематизировала явления в своей области, но друг с другом они никак не были связаны. Впрочем, даже и в качестве чисто органической теории структурная теория нуждалась в дальнейшем развитии. [c.6] Классическая структурная теория не касалась вопроса о сущности физических сил, создающих связь между атомами и определяющих свойства этой связи. Между тем вопрос о физической природе связи не мог не интересовать химиков. Необходимо было выяснить физический смысл черты, характеризующей связь. [c.7] Успех в этом направлении был достигнут не сразу. Существенную роль в развитии структурной теории сыграла физика атома. В результате открытия радиоактивности, рентгеновских лучей и электронов постепенно стало ясным, что в основе валентности и химической связи лежит электрон. В 1913 г. Бор дал теорию строения атомов, согласно которой каждый атом представляет собой как бы планетарную систему с положительным ядром в центре и с электронами, вращающимися вокруг него по орбитам. Вскоре после этого появились теории химической связи, построенные на электронных представлениях. [c.7] Писаржевский развил электронную теорию для неорганических соединений и для ионных реакций. А. М. Беркенгейму принадлежит первая попыт са построить электронную теорию в органической химии (1914—1916). Согласно теории Беркенгекма вовсе не обязательно, чтобы электроны при образовании химической связи целиком переходили от одного атома к другому. Электрон может только оттягиваться к соседнему атому, не переставая в то же время быть связанным с собственным атомом. Именно эта идея об одновременном участии электронов в электронных оболочках двух соседних атомов и явилась, как известно, основой теории ковалентной связи, разработанной в дальнейшем Г. Льюисом н известной под названием октетной теории. Октет или восьмерка электронов является устойчивой электронной оболочкой. К достижению такой оболочки путем приобретения, потери электронов или путем одновременного обладания электронами атомы элементов стремятся при образовании ионных или ковалентных связей. Простая ковалентная связь представляет собой пару обобщенных соответственными атомами электронов. [c.7] Изучение физических свойств органических веществ, начиная с двадцатых годов, приобретает все большее значение. Достаточно назвать определение строения кристаллических решеток по дифракции рентгеновских лучей или строени молекул в парах по дифракции электронов. То и другое позволило определить межатомные расстояния и углы между связями, то есть выяснить основные параметры структуры большого числа органических и неорганических молекул. Исследование дипольных моментов дало возможность установить распределение электронных зарядов в молекулах, решить вопрос об их симметрии или асимметрии и определить электронную характеристику важнейших атомных групп. Выдающееся значение в качестве вспомогательных методов установления тонкой структуры приобрели спектры поглощения в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях. [c.8] Благодаря применению этих физических методов химическая связь между атомами в молекуле из некоторого символа превратилась в конкретную реальность с числовьши данными, характеризующими ее длину, энергию, полярность, направление в пространстве. Прн этом связи оказались, как и следовало ожидать, бесконечно разнообразны. Объяснить это разнообразие классическая структурная теория оказалась не в состоянии. Октетная электронная теория давала большие возможности, но и она. в большинстве случаев была явно недостаточна. [c.8] Существенный ее дефект, между прочим, заключался в том, что она, рассматривая ковалентную связь как пару обобщенных электронов, вступала в противоречие с физикой атома того времени. Согласно теории Бора электроны атома не фиксированы в определенных точках пространства, а с огромными скоростями вращаются по орбитам, определяемым квантовыми числами. Было непонятно, каким образом при этих условиях пара электронов способна осуществить прочную и определенным образом направленную в пространстве ковалентную связь. [c.8] На основе квантовой механики была создана теория химической связи и строения молекул, известная под именем теории резонанса. Согласно этой теории мы должны представлять себе молекулу как систему, находящуюся в промежуточном состоянии между несколькими возможными. Резонансная теория отказывается от жестких однозначных структурных формул с делением связей на простые, двойные, тройные, ионные и неионные. Молекула может быть и в большинстве случаев бывает молекулой-гибридом, помесью, в которой соединены несколько возможных структур. Многие химики, в особенности те, которые занимались изучением ароматических соединений, давно склонялись к подобным представлениям 1. Но только квантовая механика дала им надежное физическое обоснование и позволила построить такую теорию, которая связала в единое целое множество, казалось бы, совершенно разнородных явлений и в ряде случаев позволила предвидеть свойства еще неисследованных соединений. О значении теории резонанса можно судить по огромному числу работ, посвященных этой теории и ее приложениям в органической химии, опубликованных в последние десятилетия. Выдающиеся заслуги в области разработки теории резонанса в Советском Союзе принадлежат Я. К- Сыркину и его школе (М. Е. Дяткина, А. А. Жуховицкий). [c.9] СТРОЕНИЕ АТОМОВ И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ. [c.10] по Бору, состоит из положительного ядра, вокруг которого по круговым и эллиптическим орбитам вращаются электроны. Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. Положительный заряд ядра нейтрализуется окружающими его электронами. Число электронов равно порядковому номеру элемента. [c.10] Орбита электрона задается квантовыми числами главным квантовым числом п, которое определяет энергию электрона и среднее расстояние электрона от ядра, побочным квантовым числом — вектором I, характеризующим угловой момент (орбитальный импульс) электрона, и магнитным квантовым числом т, обозначающим проекцию вектора I на некоторую ось. Электрон характеризуется также квантовым числом спина 5, показывающим знак вращения электрона вокруг его оси. [c.10] Главное квантовое число п всегда равно целому числу и может принимать значения 1, 2, 3. Соответственно значению п электронные орбиты располагаются по оболочкам /С ( = 1), Ь п = 2), М (п — Ъ), N п — А) и т. д. [c.10] Так как энергия связи электрона с ядром весьма быстро уменьшается с ростом расстояния орбиты от ядра, электроны оболочки К наиболее прочно связаны, электроны оболочки L удерживаются менее прочно и т. д. [c.10] Имеющий фундаментальное значение в физике и в химии принцип Паули гласит, что все электроны данного атома должны отличаться друг от друга по крайней мере одним квантовым числом. В атоме не может быть одинаковых электронов. Этот принцип в соединении со спектроскопическими данными (спектры излучения элементов характеризуют их электронные уровни) позволяет выяснить построение периодической системы элементов и установить электронные конфигурации атомов каждого элемента. [c.11] В табл. 1 даны квантовые числа и символы орбит элементов первых трех периодов периодической системы Д. И. Менделеева. [c.11] Вернуться к основной статье