Типи хімічних зв’язків

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

Львівське Вище Професійне Училище ресторанного сервісу та

туризму

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Типи хімічних зв’язків»

 

 

 

 

 

 

Роботу виконала

Учениця групи ТХ-3.28

Бойко Ірина

 

 

 

 

 

 

Львів 2015

Хімі́чний зв'язо́к — це взаємодія між атомами, яка утримує їх у молекулі чи твердому тілі.

Хімічні зв'язки є результатом взаємодії електронів та ядер атомів і описуються квантовою механікою. В першій третині XX ст. зародилася окрема галузь хімії, предметом якої є вивчення структури молекул і кристалів за допомогою квантово-механічних розрахунків: квантова хімія. Ця галузь набула особливо інтенсивного розвитку протягом кількох останніх десятиріч.

Серед типів хімічного зв'язку розрізняють:

Ковалентний зв'язок. Характеризується направленістю та насичуваністю.

полярний

неполярний

Йонний зв'язок. Направленість і насичуваність непритаманні.

Металічний зв'язок. Виникає внаслідок усуспільнення електронів великою кількістю атомів, утворюється електронний газ.

Донорно-акцепторний зв'язок, а радше, механізм утворення ковалентного полярного зв'язку. Веде до перевищення формальної валентності елементу, знайденої за періодичною системою.

Водневий зв'язок. Може бути класифікований як сильна не валентна взаємодія, направленість та насичуваність притаманні лише частково.

Ван дер Ваальсів зв'язок. Не валентна взаємодія молекул. Насичуваність не притаманна, направленість — лише певною мірою.

В мінералах виділяють: водневий зв’язок, йонний зв’язок (полярний, гетерополярний, гетероатомний, електровалентний), ковалентний зв’язок (гомеополярний, гомоатомний, атомний), металічний (обумовлений переміщенням валентних електронів металу по всьому простору кристалічної ґратки, яка утворена позитивно зарядженими йонами), молекулярний (Ван-дер-Ваальсівський або залишковий – обумовлений дисперсійним, індукційним та орієнтаційним ефектами взаємодії молекул), донорно-акцепторний або координаційний зв’язок, змішаний (включає різні типи хімічного зв’язку, характерний для мінералів з комплексними аніонами) і проміжний зв’язки (найпоширеніший – проміжний між йонним і ковалентним).

                                       

Ковалентний зв'язок є хімічним зв'язком, характерною особливістю якого є те, що задіяні атоми поділяють одну чи більше спільних пар електронів, що і спричиняють їх взаємне притягування, яке утримує їх у молекулі. Електрони при цьому, як правило, заповнюють зовнішні електронні оболонки задіяних атомів. Такий зв'язок завжди сильніший ніж міжмолекулярний зв'язок та порівняльний за силою чи сильніший за йонний зв'язок.

Ковалентний зв'язок найчастіше виникає між атомами із схожою високою електронегативністю. Ковалентний зв'язок найчастіше виникає між неметалами, тоді як іонний зв'язок є найпоширенішою формою зв'язку між атомами металів та неметалів.

Ковалентний зв'язок, як правило, сильніший ніж інші типи зв'язку, такі як іонний. Справа в тому, що на відміну від іонного зв'язку, в якому атоми утримуються ненаправленою кулонівською силою, ковалентні зв'язки є направленими. Наслідком є те, що молекули із ковалентним утриманням мають тенденцію формувати відносно невелику кількість характерних форм, демонструючи специфічні кути зв'язку.

Ковалентний зв'язок поділяється на ковалентний полярний і ковалентний неполярний.

Різновидом ковалентного зв'язку є координаційний (донорно-акцепторний) зв'язок.

Ковалентний неполярний зв'язок.

При взаємодії атомів з однаковою електронегативністю утворяться молекули з ковалентним неполярним зв'язком. Такий зв'язок існує в молекулах наступних простих речовин: H2, F2, Cl2, O2, N2. Хімічні зв'язки в цих газах утворені за допомогою спільних електронних пар, тобто при перекритті відповідних електронних хмар при зближенні атомів. Складаючи електронні формули речовин, потрібно пам'ятати, що кожна спільна електронна пара — це умовне зображення підвищеної електронної густини, що виникає внаслідок перекриття відповідних електронних хмар.

 

Ковалентний полярний зв'язок

При взаємодії атомів, значення електронегативностей яких відрізняються, але не різко, відбувається зміщення загальної електронної пари до більш електронегативного атома. Це найпоширеніший тип хімічного зв'язку, який зустрічається як в неорганічних, так і органічних сполуках. До ковалентних зв'язків в повній мірі відносяться і ті зв'язки, які утворені по донорно-акцепторному механізму, наприклад в іонах гидроксонія і амонія.

Іо́нний хімі́чний зв'язо́к, також йонний хімічний зв'язок— це тип хімічного зв'язку між позитивно та негативно зарядженими іонами. Цей тип зв’язку має електростатичну природу та утворюється між яскраво вираженими металами та неметалами.

Утворюється між атомами або групами атомів зі значною різницею в електронегативностях.

Кристалічні тверді тіла, утворені завдяки йонному зв'язку, називаються іонними кристалами. Прикладом такого кристалу є кам'яна сіль NaCl. Атоми Натрію і Хлору, з яких утворена дана сполука, різко відрізнається за електронегативністю: величина електронегативності атома Na — 1,01, атома СІ — 2,83. Електронні формули цих атомів відповідно: 1s22s22p63s1 і 1s22s22p63s23p5. З електронних формул видно, що ці атоми мають незавершені зовнішні електронні оболонки. Очевидно, що для атому Na, щоб досягти електронної конфігурації найближчого інертного газу, легше віддати 1 електрон ніж приєднати 7, а атому СІ легше приєднати 1 електрон, ніж віддати 7. Тому було встановлено, що при хімічній взаємодії атом Na віддає 1 електрон, а атом СІ приєднує його. Схематично це має такий вигляд:

Na—1e- = Na+

CI + 1e- = CI-

Між іонами Na+ і CI- виникають сили електростатичного притягання, в результаті чого утворюється сполука NaCI.

До йонних кристалів належать також численні оксиди (MgO).

На відміну від ковалентного, іонний зв'язок не є направленим, тому валентні кути в сполуках з іонними зв'язками можуть коливатися в широких межах. Йонні зв'язки не характеризуються властивістю насичення, а кулонівські сили, які в них відіграють основну роль, діють на далеких відстанях, спадаючи дуже повільно. Тому при розрахунках енергії взаємодії неможливо обмежитися найближчими сусідами атомів.

Усі йонні сполуки за звичайних умов є як правило кристалічними речовинами. Йони сполучаються один з одним досить міцно. Для того щоб зруйнувати йонний звязок необхідно затратити чималу енергію. При досягенні температури плавлення кристала іонні зв’язки руйнуються і кристал починає плавитись.

Металі́чний зв'язо́к — тип хімічного зв'язку, при якому валентні електрони атомів делокалізуються і починають взаємодіяти з атомнимиостовами усього тіла.

При встановленні металічного типу зв'язку з атомів утворюється метал, в якому позитивно заряджені іони занурені в електронний газ. Незважаючи на заряджений стан іонів, взаємодія між ними екранується рухливими електронами, й не поширюється на далекі відстані.

Наявність вільних електронів визначає всю сукупність властивостей речовин у металічному стані: високу електро- і теплопровідність; позитивний температурний коефіцієнт електроопору, здатність добре відбивати світлові хвилі (що зумовлює їхній характерний блиск і непрозорість), високу пластичність (ковкість), термоелектронну емісію, явище фотоефекту, магнітні властивості та ін.

На відміну від ковалентних і іонних сполук у металах невелике число електронів одночасно зв'язує велике число атомних ядер. Успільненням валентних електронів металічний зв'язок дещо нагадує ковалентний. Проте у металів спільні електрони не належать окремим парам атомів, вони повністю делокалізовані. Цим пояснюється відсутність просторової напрямленості та насичуваності металічного зв'язку. Делокалізація валентних електронів є наслідком багатоцентрового характеру металічного зв'язку й причиною високої електро- та теплопровідності металів.

Отже, металічний зв'язок є багатоцентровим хімічним зв'язком з дефіцитом електронів і базується на узагальненні зовнішніх електронів атомів. Тому він характерний лише для конденсованого стану речовини. У газуватому стані атоми всіх речовин, у тому числі й металів, зв'язані між собою тільки ковалентним зв'язком.

Більшість металів утворює одну з наступних високосиметричних ґраток з щільною упаковкою атомів: кубічну об'ємно центровану, кубічну гранецентрировану і гексагональну. У кубічної об'ємно центрованої ґратки атоми розташовані у вершинах куба і один атом в центрі обсягу куба. Кубічну об'ємно центровану грати мають метали: Pb, K, Na, Li, β-Ti, β-Zr, Ta, W, V, α-Fe, Cr, Nb, Ba та ін. У кубічної гранецентрованої ґратки атоми розташовані у вершинах куба і в центрі кожної грані. Грати такого типу мають метали: α-Ca, Ce, α-Sr, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, γ-Fe, Cu, α-Co та ін. У гексагональної ґратки атоми розташовані у вершинах і центрі шестигранних основ призми, а три атома - у середній площині призми. Таку упаковку атомів мають метали: : Mg, α-Ti, Cd, Re, Os, Ru, Zn, β-Co, Be, β-Ca та ін. Вільно рухомі електрони зумовлюють високу електро-і теплопровідність. Речовини, що володіють металічним зв'язком, часто поєднують міцність з пластичністю, тому що при зміщенні атомів один щодо одного не відбувається розрив зв'язків.

                                       

Донорно-акцепторний механізм, також координаційний механізм — механізм утворення ковалентного хімічного зв'язку за допомогою неподіленої електронної пари, яку надає один або група атомів (донор), і вільної орбіталі іншого атома чи групи атомів (акцептора). Утворені за таким механізмом зв'язки називають донорно-акцепторними або координаційними, хоча такі терміни не цілком коректні, оскільки йдеться не про окремий тип хімічного зв'язку, але лише про теоретичну модель, що описує його утворення. За властивостями зв'язки утворені за донорно-акцепторним механізмом нічим не відрізняються від утворених за обмінним механізмом.

Донорно-акцепторний механізм розглядається тільки у випадку опису ковалентого зв'язку за допомогою методу валентних зв'язків, він не має місця у методі молекулярних орбіталей.

Прикладом утворення ковалентного зв'язку за донорно-акцепторним механізмом може бути приєднання протону H+ до молекули аміаку. При цьому атом Нітрогену є донором електронної пари, а Гідроген — акцептором. Утворений зв'язок нічим не відрізняється від інших N—H зв'язків у молекулі, а позитивний заряд належить не якомусь конкретному атому, а молекулі в цілому.

Іншим прикладом є утворення сполуки NH3•BF3 з аміаку та фториду бору. Атом Бору в молекулі BF3 має одну вільну 2p-орбіталь, атомНітрогену — неподілену електронну пару, яка займає цю орбіталь під час утворення ковалентного зв'язку.

Також донорно-акцепторний механізм утворення зв'язку характерний для комплексних (координаційних) сполук, при цьому атом-комплексоутворювач (центральний атом) має вільні орбіталі, а донорні атоми лігандів  — неподілені електронні пари. В такому випадку донорно-акцепторний зв'язок часто називають координаційним (рос. координационная связь, англ. coordination, нім. koordinative Bindung f, Koordinationsbindung f).

Прикладом може бути утворення гідроксиду тетрамінцинку [Zn(NH3)4](OH)2. Йон Zn2+ має електронну формулу1s22s22p63s23p64s23d104s04p0, тобто в нього є чотири вакантні орбіталі (одна s і три p), які можуть зайняти вільні електронні пари атому Нітрогену.

                                       

Водне́вий зв'язо́к — різновид хімічного зв'язку, що реалізується за донорно-акцепторним механізмом між двома ковалентно зв'язаними атомами з великим значенням електронегативності (О, N, F) за посередництвом атома Гідрогену Н.

Водневий зв'язок є прикладом трицентрового чотириелектронного зв'язку.

Прослідковується певна аналогія між водневим та ковалентним зв'язком. Зокрема, водневий зв'язок є направленим та насичуваним, що вказує на його резонансну природу (на противагу електростатичній природі йонного зв'язку). Висувається припущення, що йон H+ завдяки своїм унікальним властивостям (він фактично є єдиною частинкою — протоном) виступає аналогом електронної пари в класичному ковалентному зв'язку, тільки з протилежним знаком.

За величиною енергії він на порядок слабший за ковалентний зв'язок. Наприклад, у рідкій воді енергія розриву водневого зв'язку становить 23 кДж/моль, для порівняння енергія розриву ковалентного O—H зв'язку — 470 кДж/моль.

Розрізняють міжмолекулярний та внутрішньомолекулярний водневий зв'язок.

Водневий зв'язок є важливим для органічної хімії. Завдяки водневому зв'язку вода (головний розчинник у неорганічній хімії та біохімії) має високу температуру плавлення і кипіння. Водневий зв'язок з'єднує подвійну спіраль ДНК (носія генетичної інформації), а також відповідає за формування вторинної і третинної структури білків.