Химиялық байланыс § 1 Химиялық байланыс туралы ұғымның дамуы

XIX - ғасырдың басында Бергман (Швеция) мен Бертолле (Франция) химия­лық байланысының гравитациялық теориясын ұсынды. Бұл теория бойынша атомдардың өзара әсерлесуі бүкіл әлемдік тартылыс заңына бағынады.

Бұл формуладан егер m үлкен болса Ғ-те жоғары мәнді болуы керек. Бұдан мынадай қорытынды жасауға болады: масса ұлғайған сайын молекула беріктене түседі, бірақ іс жүзінде олай болмайды (Cl₂, Br₂, J₂). Гравитациялық теория бойынша кез келген атомдар өзара тартылысып, молекула түзуі керек. Бірақ, іс жүзінде көптеген атомдар молекула құрап, бірікпейді (инертті газдардың атомдары), яғни бұл теория химиялық байланыстың көптеген ерекшеліктерін түсіндіре алмады.

1810–1812 жылдары гравитациялық теорияның орнына Берцелиустың электрохимиялық теориясы келді. Бұл теория бойынша молекуланың түзілуін электростатикалық тартылу күші арқылы түсіндірді. Бірақ, электрохимиялық теория кейбір молекулалардың түзілуін және органикалық химия саласында байқалатын көптеген құбылыстардың мәнін түсіндіре алмады. Мысалы СН₄ молекуласының оң зарядты сутек пен теріс зарядты көміртек атомдардың әсерлесуінен түзілген десек, сол себептен метан молекуласындағы оң электрлі сутек орнын теріс электрлі хлор атомдары басуы мүмкін емес.

СН₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

Кейінірек Дюма мен Лоран метан молекуласындағы сутекті хлорға алмастыруға болатынын дәлелдеп, электрохимиялық теорияны теріске шығарды. Бұл теорияның терістігі айқындалғаннан кейін химия ғылымында ұзақ жылдар бойы атомдарды байланыстыратын күштердің табиғаты қарастырылмай келді.

1852 жылдың аяғында Франкленд химияға атомдылық деген түсінік енгізді, көп кешікпей бұл түсінік валенттілікпен алмастырылды. Химияға валенттілік туралы ұғымның енуі химияның ары қарай дамуына үлкен әсерін тигізді. 1861 жылдың аяғына қарай А.Н. Бутлеров заттардың құрылыс теориясын ұсынды.

Атомдардың молекулаға бірігу себебі және валенттіліктің мазмұны тек атомның электрондық атом құрылысын білгеннен кейін ғана анықталды.

Қазіргі химияның негізгі мәселесінің бірі – химиялық байланыс туралы ілім. Зат құрамына кіретін атомдардың бір-біріне әсер ету табиғатын білу, заттардың алуан түрлілігін, олардың қасиеттерін анықтауға мүмкіншілік береді.

Химиялық байланысқа қазіргі көзқарас бойынша, электрлік сипат береді. Валенттілік электрондардың қосылыста таралу табиғатына байланысты химиялық байланыстың үш түрі бар: иондық, коваленттік (координациялық, сутектік), металдық байланыс.

§2 Иондық байланыс

Бұл байланыстың теориясын 1916 жылы неміс ғалымы Коссель ұсынды, оның негізі – электростатикалық теория. Ионды байланысты қосылыс түзілу үшін мынадай шарттар орындалу тиіс:

1. Байланыс түзуші элементтердің біреуінің иондану энергиясы өте аз мәнді болуы тиіс;

2. Ал, екінші бір элементтің электрон тартқыштығы үлкен болуы тиіс.

Міне, бұл екі шарт орындалғанда ғана екі элемент арасында иондық байланыс пайда болады. Бірінші шартты бірінші және екінші топтың негізгі топшасының элементтері, яғни нағыз металдар, ал екінші шартты алтыншы және жетінші топтардың негізгі топшаларының элементтері, яғни нағыз металл еместер қанағаттандырады.

Металл атомы сыртқы валенттілік электрондарын беріп, өзінен бұрын тұрған инертті газдың электрондық құрылысындай болып, оң зарядты бөлшекке айналады. Ал, металл емес атомы сыртқы электрондық қабатының аяқталуға жетпей тұрған электрондарын металл атомынан қосып алып, өзінен кейін тұрған инертті газдың электрондық құрылысына ие болып, теріс зарядты бөлшекке айналады.

Электрон тартқыштығы жоғары элемент өзіне электрон қосып алған кезде энергия бөліп шығарады. Электрон тартқыштығы жоғары мәнді алтыншы топтан мына элементтер: О,S; бұл элементтердің сыртқы электрондық қабатының аяқталуына әлі екі электрон жетіспейді; Мысалы, оттек алғашқы бірінші электронды қосып алғанда энергия бөлінсе, екінші электронды қосып алғанда энергияны жұтады.

О + ē → О^- + 1,47 эв.

О^- + ē → О^-2 – 8,3 эв.

Бұлай болуының себебі, электростатика заңы бойынша бірдей зарядты бөлшектер бір-бірін тебеді. Міне, осыған байланысты элементтердің жоғары теріс тотығу дәрежесін көрсетуі қиындай түседі де, ионды байланысты молекулалардың да саны өте аз болады.

Атом құрлысының квантты механикалық көзқарас тұрғысынан қарағанда нақты ионды байланыс болмайды.Оның себебі электрондардың толқындық қасиетіне байланысты, электрондық бұлт тығыздығы тек бір атомның төңірегінде толық шоғырланбауында. Рентгеноспектральдық тәсіл бойынша электрон бұлттарының тығыздығының ығысуын сипаттайтын атомдардың эффектілі зарядтары (δ) анықталады, мысалы ас тұзында (NaCl) δ (Na⁺)= +0,8 болса, δ(Cl^-)= -0,8, яғни байланыстың иондығы – 80% болғаны.

1) бағытталмағандық;

2) қанықпағандық.

Иондар зарядталған бөлшектер, олар айналасына бірдей электр өрісін туғызады, сондықтан олар қарама-қарсы зарядты ионды кез келген бағытта өзіне тартып ала алады. Міне, иондық байланыстың осы қасиетін бағытталмағандық деп атаймыз.

Сурет 4.1. Иондардың өрістерінің күш сызықтары

Қарама-қарсы зарядты иондардың бір-бірімен әрекеттесуі олардың күш сызықтарын толық компенсацияламайды (жоймайды), сондықтан қарама-қарсы бөлшектер қосып алу мүмкіншілігі туады. Мұны қанықпағандық деп атайды. Ионды байланысты қосылыстарда ионды қоршаушы қарама-қарсы зарядты бөлшек саны (координациялық сан) бөлшектің валенттілік электондарының конфигурациясына байланысты ион мөлшерлерінің арақатынасына тәуелді болады. Мысалы, натрий және цезий иондарының (r_Na⁺=0,98 A^o; r_Cs⁺=1,65A^o) хлор ионымен (r_Cl^–=1,81A^o) әрекеттескенде: r_Cl^–/ r_Na⁺=0,54, r_Cl^–/ r_Cs⁺=0,91 болады. Сондықтан, ас тұзы мен цезия хлоридінің кристалдық торларында хлордың координациясы, сәйкесінше, октаэдрлі (сурет 10.1) және кубтық болады.

Ионды байланысты молекулалар қасиеттері:

1) ионды байланысты молекулалар ерітіндісі электр тоғын өткізеді – электролиттер,

2) ионды байланысты қосылыстар полярлы еріткіштерде жақсы ериді,

3) ионды байланысты қосылыстар балқыған күйінде де ток өткізеді.