Основные типы химической связи

Из курса химии VIII класса вам известно, что атомы могут соединяться друг с другом с образованием как простых, так и сложных веществ. При этом возникают различного рода химические связи: ионная, ковалентная (неполярная и полярная), металлическая и водородная. Вспомним, что один из существующих показателей, определяющих, какая связь образуется между атомами – ионная или ковалентная, – это электроотрицательность, т.е. способность атомов притягивать к себе электроны от других атомов. При этом следует учесть, что эектроотрицательности атомов элементов изменяются постепенно. В периодах периодической системы слева направо численные значения электроотрицательностей возрастают, а в группах сверху вниз – уменьшаются. Так как тип связи зависит от разности значений электроотрицательностей соединяющихся атомов элементов, то провести резкую границу между отдельными типами химической связи нельзя. В зависимомти от того, к какому из предельных случаев химическая связь ближе по своему характеру, ее относят к ионной или ковалентной полярной.

Ионная связь. Ионная связь образуется при взаимодействии атомов, которые сильно различаются по электротрицательностям. Например, типичные металлы – литий Li, натрий Na, калий K, кальций Ca, стронций Sr, барий Ba – образуют ионную связь с типичными неметаллами, в основном с галогенами.

¢Следует учесть, что при взаимодействии даже щелочных металлов с такими электроотрицательными элементами, как кислород и сера, ионная связь в полном смысле этого понятия возникает. Так, например, в соединениях Li₂O, Na₂S существует не ионная, а ковалентная сильнополярная связь. _________________

Кроме галогенидов самых активных металлов, ионная связь характерна для щелочей и солей, в которые входят атомы кислорода и активных металлов. Например, в гидроксиде натрия NaOH и в сульфате натрия Na₂SO₄ ионными являются только связи между атомами натрия и кислорода. Остальные связи ковалентные полярные. В разбавленном водном растворе щелочи и соли диссоциируют так:

Между ионами существуют сильные электростатические силы притяжения. Поэтому ионные соединения обладают сравнительно высокими температурами плавления.

Ковалентная неполярная связь. При соединении атомов с одинаковыми электроотрицательностями образуются молекулы с ковален6тной неполярной связью. Вспомним, что такая связь, например, существует в молекулах газообразных веществ, состоящих из одинаковых атомов: H₂, F₂, Cl₂, O₂, N₂. В этих случаях химические связи образуются за счет общих электронных пар, т.е. при перекрывании соответствующих электронных облаков, обусловленном электронно-ядерным взаимодействием, которое осуществляется при сближении атомов.

Рассмотрим последовательность составления электронных формул веществ с ковалентной неполярной связью (на примере молекулы азота N₂).

1) Рисуют схему распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням в атоме азота:

2) Отмечают, что в атоме азота имеется три неспаренных электрона, которые образуют между атомами азота три связывающие электронные пары:

3) Оставшуюся на наружном электронном уровне электронную пару у каждого атома азота изображают в виде неподеленной:

Приводя электронные формулы веществ, всегда необходимо помнить, что общая электронная пара, обозначаемая точками, представляет собой новое облако, образующееся при перекрывании соответствующих электронных облаков. В молекуле азота перекрываются p-электронные облака и образуется одна σ- и две π-связи. В данном случае образуется прочная тройная связь.

В отличие от взаимодействия ионов силы притяжения между отдельными нейтральными молекулами малы, поэтому вещества с ковалентной неполярной связью обладают низкими температурами плавления.

Ковалентная полярная связь. При взаимодействии атомов, электроотрицательности которых отличаются незначительно, происходит смещение общей связывающей электронной пары к более электроотрицательному атому и образуется ковалентная полярная связь.

Так как между полярными молекулами также существуют силы электростатического притяжения, то температуры плавления и кипения этих соединений гораздо выше, чем у веществ с ковалентной неполярной связью.

К ковалентным полярным относятся и те связи, которые образованы по донорно-акцепторному механизму, например в онах гидроксония и аммония.

Ковалентная полярная связь наиболее распространенный тип химической связи, встречающаяся как в неорганических, так и в органических соединениях.

Металлическая связь. Связь, которую осуществляют относительно свободные электроны между ионами металлов в кристаллической решетке, называется металлической связью.

1.

Сущность образования металлической связи состоит в следующем. Атомы металлов легко отдают наружные электроны, и некоторые из них превращаются в положительно заряженные ионы. Оторвавшиеся от атомов электроны относительно свободно перемещаются между возникшими положительными ионами металлов. Между этими частицами возникает металлическая связь, т.е. электроны как бы цементируют положительные ионы в металлической решетке. Таким строением металлов обусловлены и их характерные физические свойства.

2. 3.

Рис. 5. Связь строения кристаллических решеток с механической прочностью соответствующих веществ;

1-атомная решетка;

2-ионная решетка;

3-металлическая решетка

Проводимость электричества и теплоты зависит от наличия в металлических решетках свободных электронов. Ковкость и пластичность металлов объясняются тем, что ионы и атомы металлов в металлической решетке друг с другом непосредственно связаны и отдельные их слои могут свободно перемещаться один относительно другого.

Водородная связь. Связь между атомами водорода одной молекулы и сильноотрицательными элементами (O, N, F) другой молекулы называется водородной связью.

Может возникнуть вопрос: почему именно водород способен образовывать такие специфические химические связи? Это связано с тем, что атом водорода обладает очень маленьким радиусом и при смещении или отдаче единственного электрона водород приобретает относительно сильный положительный заряд, который действует на электроотрицательные элементы в молекулах веществ. Рассмотрим некоторые примеры. Мы привыкли состав воды изображать формулой H₂O, но правильнее было бы состав воды обозначать формулой (H₂O) n, где n равно 2, 3, 4 и т.д., так как отдельные молекулы воды соединены водородными связями, которые схематически изображают точками:

Водородная связь гораздо более слабая, чем ионная или ковалентная, но более сильная, чем межмолекулярное взаимодействие.

Образованием водородных связей объясняется, почему объем воды в отличие от объемов других веществ при понижении температуры увеличивается.

При изучении органической химии возникал и такой вопрос: почему у спиртов температуры кипения гораздо выше, чем у соответствующих углеводородов? Оказывается, между молекулами спиртов тоже происходит химическое взаимодействие с возникновением водородных связей:

Вам уже известно, что Д.И. Менделеев изучал процесс растворения спирта в воде. Он пришел к выводу, что при растворении одновременно происходят и химические процессы, например взаимодействие молекул спирта с молекулами воды:

Водородная связь характерна для многих органических соединений (фенолов, альдегидов, карбоновых кислот и др.). за счет водородной связи образуется вторичная структура белков, двойная спираль ДНК.