Читать книгу Пособие по неорганической химии - - Страница 17

Природа и типы химической связи

Химическая связь возникает при взаимодействии частиц и определяется как взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в более сложные системы, такие как молекулы, радикалы, кристаллы и др.

Природа сил химической связи электростатическая. При образовании химической связи общая энергия системы, составленной из многоатомной структуры, меньше энергии составных частей. Поэтому условием образования химической связи является понижение системы энергии. В образовании химической связи между атомами участвуют валентные электроны. В зависимости от способа образования устойчивых структур различают основные типы химической связи: ковалентную, ионную, металлическую и водородную.

Ионная связь

Ионная связь – это электростатическое притяжение между ионами, образованными путем практически полного смещения электронной пары к одному из них. Эта связь образуется, если разность электроотрицательностей атомов велика (больше 1,7 по шкале Полинга).

Электроотрицательность характеризует способность атомов притягивать к себе валентные электроны. Значения электроотрицательностей атомов элементов также подчиняются периодическому закону.

Шкала Полинга – это шкала относительных атомных электроотрицательностей, т.е. значения электро-отрицательностей элементов приведены по отношению к электроотрицательности фтора, которая принята равной 4,0.

Большинство бинарных соединений, содержащих атомы металлов, являются ионными или гетерополярными. Типичный пример ионной связи – образование хлорида натрия NaCl:

Na – e^– = Na⁺

Cl + e^– = Cl^-

Как видно из электронных формул атомов натрия (₁₁Na 1s²2s²2p⁶3s¹) и хлора (₁₇Cl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵) – это атомы с незавершенными внешними электронными уровнями. Для завершения внешнего уровня атому натрия легче отдать 1 электрон, чем присоединить 7. Атому хлора легче присоединить 1 электрон, чем отдать 7. В результате образуются два иона Na⁺ и Cl^-, между которыми возникают силы электростатического притяжения, после чего образуется соединение NaCl.

Ионные соединения при обычных условиях – твердые вещества. Они имеют высокую температуру кипения и плавления. В расплавленном состоянии обладают электропроводностью, в воде диссоциируют на ионы.

Ковалентная связь

Химическая связь, осуществляемая электронными парами, называется атомной или ковалентной.

Ковалентная связь возникает преимущественно между атомами различных неметаллов и одинаковыми атомами.

Ковалентно построенные соединения могут быть как простые (H₂, O₂, Ne, галогены – F₂, Cl₂, Br₂,), так и сложные (HCL, CO₂, CH₄).

Электроны, которые в виде общей пары связывают атомы друг с другом в молекуле, называются спаренными электронами.

Пример:

Cl₂ → Cl ⁚ Cl

Различают следующие разновидности ковалентной связи: неполярную, полярную и донорно-акцепторную.

В случае неполярной ковалентной связи электронная пара одинаково принадлежит обоим соединяющимся атомам (простые вещества H₂, O₂, N₂, F₂, Cl₂) – электроотрицательность у атомов этих молекул одинакова

H₂ → H ⁚ H;

N₂ → ⁚N ⁚⁚⁚ N⁚

Составляя электронные формулы веществ, следует помнить, что каждая общая электронная пара – это условное изображение повышенной электронной плотности, возникающей в результате перекрывания соответствующих электронных облаков атомов.

Эти вещества имеют низкую температуру плавления и кипения, при обычных условиях эти вещества газообразные и легколетучие (С1₂ – газ, температура кипения – 34°C, плавления – 101 °C).

В случае полярной ковалентной связи электронная пара смещена к более электроотрицательному атому.

Пример типичной полярной связи – молекула хлористого водорода:

Н· + ·С1→ Н⁚С1

Молекулы с несимметрическим распределением электронов называются полярными. Это наиболее распространенный тип химической связи, который встречается как в неорганических, так и в органических соединениях (HCl, HBr, NH₃, H₂S, CH₄ и др.).

Донорно-акцепторная связь – это вид ковалентной связи, которая осуществляется за счет пары электронов, принадлежащих одному из соединяющихся атомов. Атом, который отдает свою пару электронов для образования связи, называется донором; атом, который использует эту пару электронов, называется акцептором.

NH₃ + H⁺ = NH₄⁺

В данном соединении азот, имеющий свободную электронную пару, является донором, а ион водорода – акцептором, при этом заряд иона водорода становится общим (он рассредоточен между всеми атомами), а неподеленная пара электронов, принадлежащая азоту, становится общей с водородом.

Следует заметить, что это не особый вид связи, а лишь иной механизм образования ковалентной связи.

Металлическая связь

Связь, которая образуется в результате взаимодействия относительно свободных электронов с ионами металлов, называется металлической связью.

Атомы металлов в наружном электронном слое имеют мало валентных электронов по сравнению с общим числом внешних энергетически близких орбиталей, а валентные электроны из-за небольшой энергии ионизации слабо удерживаются в атоме. Электроны в металлах свободно перемещаются из одной орбитали в другую, осуществляя связь между всеми атомами металла, и принадлежат всем его атомам.

Химическая связь в металлических кристаллах сильно делокализована, т.е. электроны, осуществляющие связь, обобществлены («электронный газ») и перемещаются по всему куску металла, в целом электронейтрального.

Металлическая связь обусловливает высокую температуру плавления и кипения, тепло- и электропроводность, пластичность, способность отражению света и др.

Водородная связь

Водородная связь – это разновидность межмолекулярного и внутримолекулярного взаимодействия. Она осуществляется между поляризованными атомами водорода и отрицательно поляризованным атомом другой молекулы. Примерами существования межмолекулярной водородной связи являются ассоциированные молекулы воды, фтористого водорода, спиртов, карбоновых кислот.

Внутримолекулярная связь возникает в молекулах органических веществ – белков, углеводов и др.

Межмолекулярная водородная связь приводит к ассоциации молекул одного или разных соединений. В молекуле воды связь Н…О имеет полярный характер, причем на атоме водорода имеется избыточный положительный заряд, а на атоме кислорода – отрицательный. Это способствует взаимодействию атома водорода одной молекулы воды и атома кислорода другой молекулы, что и приводит к возникновению водородной связи между молекулами.

Водородная связь оказывает влияние на свойства многих веществ. Так, благодаря водородной связи, фтороводород в обычных условиях существует в жидком состоянии. Наличием водородных связей объясняется более высокая температура кипения воды по сравнению с водородными соединениями элементов подгруппы кислорода (H₂S, H₂Se, H₂Te).

Энергия водородной связи во много раз меньше энергии обычных ковалентных связей. Водородная связь легко разрушается при нагревании и кипении вещества.