Образование химических связей (правило октета)

Химическое связывание — это основополагающее понятие химии, которое описывает, как атомы соединяются, образуя огромное множество веществ вокруг нас. В основе связывания атомов лежит правило октета. Правило октета гласит, что атомы соединяются таким образом, чтобы иметь восемь электронов на своей валентной оболочке, тем самым достигая стабильной конфигурации благородного газа. Эта статья подробно объяснит образование химической связи в соответствии с правилом октета.

Почему атомы связываются вместе?

Атомы — это основные строительные блоки вещества. Они состоят из ядра, содержащего протоны и нейтроны, окруженного электронами, которые вращаются в оболочках. Эти электронные оболочки могут содержать только определенное количество электронов, и наиболее стабильные конфигурации — это те, в которых наружная оболочка заполнена полностью, наподобие благородных газов (гелий, неон, аргон и т.д.).

Правило октета вытекает из этой тенденции, когда атомы стремятся заполнить свою внешнюю оболочку восемью электронами. Это приводит к менее реакционноспособным атомам и более стабильным соединениям.

Правило октета в химическом связывании

Правило октета распространяется на два основных типа химических связей: ионные связи и ковалентные связи.

Ионная связь

В ионном связывании атомы передают электроны, чтобы достичь полного октета. Это обычно происходит между металлами и неметаллами. Металлы, имеющие меньшее количество электронов на внешних оболочках, теряют их и становятся положительно заряженными ионами (катионами). Неметаллы, имеющие большее количество электронов на внешних оболочках, принимают электроны, чтобы завершить свои октеты, и становятся отрицательно заряженными ионами (анионами). Противоположные заряды притягиваются друг к другу, образуя ионную связь.

Например, в соединении хлорида натрия (NaCl) натрий (Na) имеет один электрон на своей внешней оболочке, тогда как хлору (Cl) нужен один электрон для завершения октета.

    
      Na: [2, 8, 1 ] → Na⁺: [2, 8] + E⁻
      Cl: [2, 8, 7 ] + e⁻ → Cl⁻: [2, 8, 8]

    

Путем этой передачи электронов оба атома достигают стабильной конфигурации, и ионное притяжение между Na⁺ и Cl⁻ образует твердую решетку.

Ковалентные связи

В отличие от ионных связей, ковалентные связи включают совместное использование электронов между атомами, главным образом между неметаллами. Каждый атом вносит по крайней мере один электрон в общую пару, тем самым позволяя обоим завершить свои октеты.

Рассмотрим воду (_{H 2 O}):

     
      O: [2, 6 ] + 2 H: [ 1 ] → OH общие || OH общие

    

Атом кислорода делится электронами с двумя атомами водорода, в результате чего получается стабильная молекула, в которой кислород достигает октета, а водород делится достаточным количеством электронов, чтобы завершить "пару" (2 электрона), что подходит для небольших атомов, таких как водород.

Вот упрощенная схема точечной диаграммы электрона для молекулы воды:

Исключения из правила октета

Хотя правило октета объясняет многие соединения, существуют некоторые исключения. Некоторые молекулы имеют нечетное количество электронов, в то время как другие имеют больше или меньше восьми электронов вокруг атома. Эти исключения включают:

• Молекулы с нечетным числом электронов: Молекулы, такие как NO (окись азота), имеют нечетное количество электронов, что означает, что каждый атом не может иметь полный октет.
• Электрон-дефицитные молекулы: Некоторые атомы, такие как бор в _BF3 (трифторид бор), образуют стабильные соединения с менее чем 8 электронами в их внешней оболочке.
• Расширенный октет: Элементы третьего периода и далее, такие как сера в SF₆ (гексафторид серы), могут иметь более восьми валентных электронов из-за доступных d-орбиталей.

Важность правила октета

Правило октета является краеугольным камнем в понимании химических реакций и молекулярных структур. Оно помогает предсказать, как атомы будут связываться и какие типы молекул они могут образовывать. Хотя оно предоставляет полезную оценку, более глубокое понимание связывания включает другие факторы, такие как электроотрицательности, размеры атомов и типы вовлеченных орбиталей.

Электроотрицательность и тип связи

Электроотрицательность — это мера того, насколько сильно атомы притягивают к себе связывающие электроны. В ионных связях существует большая разница в электроотрицательностях между связывающими атомами, что приводит к передаче электронов. В ковалентных связях небольшая разница вызывает совместное использование электронов.

Полярность молекулы, или то, как она распределяет свое электронное облако, часто может быть предсказана по разнице в ее электроотрицательностях.

Ограничения правила октета

Хотя правило октета полезно, оно не учитывает все возможности химического связывания. Квантово-механические теории представляют более точное описание поведения электронов в атомах, где вероятности электронов, а не фиксированные орбитали, определяют их позиции.

Теория молекулярных орбиталей и другие методы квантовой химии описывают отношение с волновыми функциями, показывая, что распределение электронов более сложное, чем простое выполнение октета.

Кроме того, гибридизация и молекулярная форма из теории ВСПЕР — это концепции, которые еще больше расширяют наше понимание связывания. Хотя эти анализы выходят за рамки правила октета, они все равно отражают основополагающий принцип достижения стабильных конфигураций электронов.

Практические применения правила октета

Правило октета помогает в обучении и исследованиях предсказывать продукты реакций и понимать химическое равновесие. Его принципы широко применяются в материаловедении, разработке лекарств и даже в разработке новых химических производственных процессов, направляющих синтез и характеристику новых соединений.

Например, понимание связывания в сплавах или органических полупроводниках дает представление о создании материалов с желаемыми электрическими и тепловыми свойствами. Аналогично, применение правила октета в медицинской химии помогает предсказать, как различные молекулы взаимодействуют с биологическими системами.

Заключение

Правило октета — это красивый и простой способ понять концепцию химического связывания. Хотя исключения и продвинутые теории выходят за его рамки, обладание прочной основой в теории октета помогает перейти к дальнейшему изучению химии и смежных областей.

Комментарии