Основные типы химической связи

 Химическая связь

Все взаимодействия, приводящие к объединению химических частиц (атомов,

молекул, ионов и т. п.) в вещества делятся на химические связи и

межмолекулярные связи (межмолекулярные  взаимодействия).

     Химические связи - связи непосредственно между атомами. Различают ионную,

ковалентную и металлическую  связь.

     Межмолекулярные связи - связи между молекулами. Это водородная связь,

ион-дипольная связь (за счет образования этой связи происходит, например,

образование гидратной  оболочки ионов), диполь-дипольная (за счет образования

этой связи объединяются молекулы полярных веществ, например, в жидком ацетоне)

и др.

     Ионная связь - химическая связь, образованная за счет электростатического

притяжения разноименно  заряженных ионов. В бинарных соединениях (соединениях

двух элементов) она  образуется в случае, когда размеры  связываемых атомов

сильно отличаются друг от друга: одни атомы большие, другие маленькие - то есть

одни атомы легко  отдают электроны, а другие склонны  их принимать (обычно это

атомы элементов, образующих типичные металлы и атомы элементов, образующих

типичные неметаллы); электроотрицательность таких атомов также сильно

отличается.

Ионная связь ненаправленная и не насыщаемая.

     Ковалентная связь - химическая связь, возникающая за счет образования

общей пары электронов. Ковалентная  связь образуется между маленькими атомами с

одинаковыми или близкими радиусами. Необходимое условие - наличие  неспаренных

электронов у обоих  связываемых атомов (обменный механизм) или неподеленной пары

у одного атома и свободной  орбитали у другого (донорно-акцепторный  механизм):

    

а)	H· + ·H H:H	H-H	H2	(одна общая пара электронов; H одновалентен);
б)		NN	N2	(три общие пары электронов; N трехвалентен);
в)		H-F	HF	(одна общая пара электронов; H и F одновалентны);
г)			NH4+	(четыре общих пары электронов; N четырехвалентен)

По числу общих электронных  пар ковалентные связи делятся  на

·                 простые (одинарные) - одна пара электронов,

·                 двойные - две пары электронов,

·                 тройные - три пары электронов.

Двойные и тройные связи называются кратными связями.

По распределению электронной  плотности между связываемыми атомами  ковалентная

связь делится на неполярную и полярную. Неполярная связь

образуется между одинаковыми  атомами, полярная - между разными.

     Электроотрицательность - мера способности атома в веществе притягивать к

себе общие электронные  пары.

Электронные пары полярных связей смещены в сторону более  электроотрицательных

элементов. Само смещение электронных пар называется поляризацией связи.

Образующиеся при поляризации частичные (избыточные) заряды обозначаются

+ и -, например:

.

По характеру перекрывания электронных облаков ("орбиталей") ковалентная связь

делится на -связь и

-связь.

     -Связь образуется за счет прямого

перекрывания электронных  облаков (вдоль прямой, соединяющей  ядра атомов),

-связь - за счет бокового  перекрывания (по обе стороны  от плоскости, в которой

лежат ядра атомов).

Ковалентная связь обладает направленностью и насыщаемостью, а также

поляризуемостью.

Для объяснения и прогнозирования  взаимного направления ковалентных  связей

используют модель гибридизации.

     Гибридизация атомных орбиталей и электронных облаков - предполагаемое

выравнивание атомных  орбиталей по энергии, а электронных  облаков по форме при

образовании атомом ковалентных  связей.

Чаще всего встречается  три типа гибридизации: sp-, sp²

и sp³-гибридизация. Например:

     sp-гибридизация - в молекулах C₂H₂, BeH₂, CO₂ (линейное строение);

     sp²-гибридизация - в молекулах C₂H₄, C₆H₆, BF₃ (плоская треугольная форма);

     sp³-гибридизация - в молекулах CCl₄, SiH₄

, CH₄ (тетраэдрическая форма); NH₃ (пирамидальная форма);

H₂O (уголковая форма).

     Металлическая связь - химическая связь, образованная за счет

обобществления валентных  электронов всех связываемых атомов металлического

кристалла. В результате образуется единое электронное облако кристалла, которое

легко смещается под  действием электрического напряжения - отсюда высокая

электропроводность металлов.

Металлическая связь образуется в том случае, когда связываемые атомы большие и

потому склонны отдавать электроны. Простые вещества с металлической  связью -

металлы (Na, Ba, Al, Cu, Au и др.), сложные вещества - интерметаллические

соединения (AlCr₂, Ca₂Cu, Cu₅Zn₈ и

др.).

Металлическая связь не обладает направленностью насыщаемостью. Она

сохраняется и в расплавах  металлов.

     Водородная связь - межмолекулярная связь, образованная за счет частичного

акцептирования пары электронов высокоэлектроотрицательнного атома  атомом

водорода с большим  положительным частичным зарядом. Образуется в тех случаях,

когда в одной молекуле есть атом с неподеленной парой электронов и высокой

электроотрицательностью (F, O, N), а в другой - атом водорода, связанный сильно

полярной связью с одним  из таких атомов. Примеры межмолекулярных водородных

связей:

H—O—H ··· OH₂, H—O—H ··· NH₃, H—O—H ··· F—H, H—F ··· H—F.

Внутримолекулярные водородные связи существуют в молекулах  полипептидов,

нуклеиновых кислот, белков и др.

Мерой прочности любой  связи является энергия связи.

     Энергия связи - энергия необходимая для разрыва данной химической связи в

1 моле вещества. Единица  измерений - 1 кДж/моль.

Энергии ионной и ковалентной  связи - одного порядка, энергия водородной связи

- на порядок меньше.

Энергия ковалентной связи  зависит от размеров связываемых атомов (длины

связи) и от кратности  связи. Чем меньше атомы и больше кратность связи, тем

больше ее энергия.

Энергия ионной связи зависит  от размеров ионов и от их зарядов. Чем меньше

ионы и больше их заряд, тем больше энергия связи.

     Строение вещества

По типу строения все  вещества делятся на молекулярные и

немолекулярные. Среди органических веществ преобладают молекулярные

вещества, среди неорганических - немолекулярные.

По типу химической связи  вещества делятся на вещества с ковалентными связями,

вещества с ионными  связями (ионные вещества) и вещества с металлическими

связями (металлы).

Вещества с ковалентными связями могут быть молекулярными  и немолекулярными.

Это существенно сказывается  на их физических свойствах.

Молекулярные вещества состоят из молекул, связанных между собой слабыми

межмолекулярными связями, к ним относятся: H₂, O₂, N

₂, Cl₂, Br₂, S₈, P₄ и другие

простые вещества; CO₂, SO₂, N₂O₅, H

₂O, HCl, HF, NH₃, CH₄, C₂H₅OH,

органические полимеры и многие другие вещества. Эти вещества не обладают

высокой прочностью, имеют  низкие температуры плавления и  кипения, не проводят

электрический ток, некоторые  из них растворимы в воде или других растворителях.

Немолекулярные вещества с ковалентными связями или атомные  вещества (алмаз,

графит, Si, SiO₂, SiC и другие) образуют очень прочные кристаллы

(исключение - слоистый  графит), они нерастворимы в воде  и других растворителях,

имеют высокие температуры  плавления и кипения, большинство  из них не проводит

электрический ток (кроме графита, обладающего электропроводностью, и

полупроводников - кремния, германия и пр.)

Все ионные вещества, естественно, являются немолекулярными. Это твердые

тугоплавкие вещества, растворы и расплавы которых проводят электрический  ток.

Многие из них растворимы в воде. Следует отметить, что в ионных веществах,

кристаллы которых состоят  из сложных ионов, есть и ковалентные  связи, например:

(Na⁺)₂(SO₄^2-), (K⁺)

₃(PO₄^3-), (NH₄⁺)(NO^3-

) и т. д. Ковалентными  связями связаны атомы, из которых  состоят сложные ионы.

     Металлы (вещества с металлической связью) очень разнообразны по своим

физическим свойствам. Среди них есть жидкость (Hg), очень  мягкие (Na, K) и

очень твердые металлы (W, Nb).

Характерными физическими  свойствами металлов является их высокая

электропроводность (в отличие от полупроводников, уменьшается с ростом

температуры), высокая  теплоемкость и пластичность (у чистых металлов).

В твердом состоянии  почти все вещества состоят из кристаллов. По типу строения и

типу химической связи  кристаллы ("кристаллические решетки") делят на

атомные (кристаллы немолекулярных веществ с ковалентной связью), ионные

(кристаллы ионных веществ), молекулярные (кристаллы молекулярных веществ

с ковалентной связью) и металлические (кристаллы веществ с

металлической связью).

     ХИМИЯ

     ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ

     МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

В атомах элементов-металлов есть одна важная особенность: валентных

электронов намного  меньше, чем свободных орбиталей. Это создает условия для

свободного перемещения  электронов по орбиталям разных атомов одного и того же

металла. Вследствие невысокой  энергии ионизации атомы металла  легко

воздействуют на соседние аналогичные атомы, перетягивая  к себе их электроны,

которые тут же могут  быть либо оттянуты обратно, либо могут перейти к другому

соседнему атому. Таким  образом, внутри образца металла  происходит непрерывное

движение электронов от атома к атому. Электроны как  бы становятся

одновременно общими для  всех атомов. Это движение электронов хаотично, а

согласованно может  происходить лишь при создании разности потенциалов между

точками металла. Этим и  можно объяснить электрическую  проводимость металлов.

Следовательно, для металлов характерна химическая связь, основанная на

обобществлении валентных электронов, принадлежащих не двум, а практически

всем атомам в кристалле. Такая связь называется металлической.

В отличие от ковалентных  и ионных соединений в металлах сравнительно

небольшое число электронов одновременно связывает множество  атомных ядер. Эта

особенность в распределении  электронов называется делокализацией. Поэтому в

металлах химическая связь  делокализована.

Такой тип связи характерен для твердого и жидкого состояний, а в газообразном -

атомы металлов связаны  между собой только ковалентной связью (Li₂,

Cu₂ и т. д.).

     МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

     ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ

Существование веществ  в различных агрегатных состояниях свидетельствует о

том, что между частицами (атомами, ионами, молекулами) имеет  место

взаимодействие, обусловленное ван-дер-ваальсовыми силами притяжения. Они

названы, в честь голландского физика Ван-дер-Ваальса (1837-1923), который

предложил уравнение состояния  газов, учитывающего межмолекулярное

взаимодействие.

Наиболее важной и отличительной  чертой ван-дер-ваальсовых сил является их

универсальность, так как  они действуют без исключения между всеми атомами и

молекулами.

Исходя из современных  представлений о строении атома, можно обосновать

невозможность существования  гипотетической молекулы Не₂, однако это

еще не говорит о том, что между атомами гелия вообще отсутствует всякое

взаимодействие, Так как  гелий и вообще благородные газы удается перевести в

жидкое и даже твердое  состояние, то уже это свидетельствует  о наличии между

атомами благородных газов  сил притяжения. Чрезвычайно низкие температуры,

необходимые для перевода благородных газов в жидкое состояние, подтверждают,

что эти силы весьма незначительны.

Существует несколько  объяснений природы ван-дер-ваальсовых сил, важнейшим из

которых является электростатическое взаимодействие, которое основывается на

том, что хотя атомы  или молекулы в целом электронейтральны, все же в них

вследствие орбитального движения электронов постоянно возникают  мгновенные

электрические дипольные  моменты. Взаимодействие мгновенного  и индуцированного

дипольных моментов называется дисперсионным.

Существуют молекулы, обладающие постоянным электрическим дипольным  моментом.

Они могут взаимодействовать  как с аналогичными молекулами, так  и с

неполярными, но способными к поляризации. Это явление называется

ориентационным взаимодействием.

Если полярная и неполярная молекулы приходят в соприкосновение, то под

влиянием полярной молекулы неполярная поляризуется и в ней  возникает

(индуцируется) диполь. Индуцированный  диполь притягивается к постоянному

диполю полярной молекулы. Такое взаимодействие называется индукционным.

Рассмотренные типы взаимодействия относятся к электростатическому

взаимодействию.

Одной из разновидностей взаимодействия между полярными  молекулами является

водородная связь. Данная связь формируется между молекулами типа НХ, где X -

F, О, N, C1, Вr, I или группа  атомов, например, ОН. Связь между  водородом и