Химия: 2.1. Разновидности химической связи: ковалентная

Химия
2. Химическая связь
2.1. Разновидности химической связи: ковалентная (полярная и неполярная), ионная,
металлическая, водородная.
Стремление к состоянию с наименьшей энергией является общим свойством материи. Атомы
образуют между собой связи потому, что суммарная энергия соединившихся атомов меньше, чем
энергия тех же атомов в свободном состоянии.
Однако атомы не могут связываться друг с другом произвольно. Каждый атом способен
связываться с конкретным количеством других атомов, причем связанные атомы располагаются в
пространстве строго определенным образом. Причину этих ограничений следует искать в свойствах
электронных оболочек атомов, а точнее - в свойствах внешних электронных оболочек, которыми
атомы взаимодействуют друг с другом.
Завершенная внешняя электронная оболочка обладает меньшей (т.е. более выгодной для атома)
энергией, чем незавершенная. По правилу октета завершенная оболочка содержит 8 электронов:
Таковы внешние электронные оболочки атомов благородных газов, за исключением гелия (n = 1), у
которого завершенная оболочка состоит из двух s-электронов (1s2) просто потому, что p-подуровня
на 1-м уровне нет.
Внешние оболочки атомов всех элементов, кроме благородных газов, являются незавершенными, и
в процессе химического взаимодействия они завершаются.
Химическая связь образуется за счет электронов внешних электронных оболочек, но
осуществляется она по-разному. Различают три основных типа химической связи:
- ковалентную связь и ее разновидности неполярную и полярную ковалентную связь,
- ионную связь,
- металлическую связь.
Ковалентная связь – связь, образованная за счет общей электронной пары.
Образование ковалентной связи происходит следующим образом. При сближении двух атомов
происходит перекрывание их электронных облаков, в результате чего в пространстве между ядрами
атомов электронная плотность повышается, а энергия системы понижается. Каждый атом
предоставляет в общее пользование по одному электрону; в результате чего образуется общая
электронная пара, одновременно принадлежащая двум атомам, и каждый атом приобретает октет
электронов.
Пример. Образование молекулы фтора F2.
У атома фтора на внешнем уровне 7 электронов, чтобы завершить оболочку, не хватает одного
электрона. 9F 1s22s22p5.
Поэтому каждый атом фтора отдает по одному электрону в общее пользование. Образование
молекулы фтора из атомов можно изобразить с помощью следующих наглядных схем:
Теперь оба атома фтора имеют на внешнем уровне по восемь электронов (октет), из которых два
электрона общих, а шесть электронов (три пары) сохраняются в индивидуальном пользовании.
Структурная формула молекулы фтора F-F. Структурная формула показывает порядок соединения
атомов в молекуле. Каждая связь (общая электронная пара) изображается черточкой.
Ковалентная связь в основном образуется между атомами неметаллов. Ковалентную связь
подразделяют на ковалентную неполярную и ковалентную полярную.
В рассмотренном выше примере связь образовалась между одинаковыми атомами, поэтому общая
электронная пара в равной степени принадлежит обоим атомам. Такая связь называется
ковалентной неполярной.
Если связь образуется между атомами разных элементов, один из которых – более активный
неметалл, а другой – менее активный, то общая электронная пара смещается к более активному
неметаллу. Такая связь называется ковалентная полярная. Например, полярной является связь в
молекуле фтороводорода:
Электронная пара смещена в сторону атома F, как более активного неметалла. В результате
смещения электронной плотности в сторону атома фтора он приобретает частично отрицательный
заряд, а атом водорода – частично положительный заряд. Полярность связи можно показать
стрелкой, указывающей направление смещения электронной пары: Нδ+ → Fδ-.
Как уже говорилось в первом разделе, характерное свойство металлов – отдавать электроны, а
неметаллов – принимать их. Поэтому если взаимодействуют атом металла и неметалла, то атом
металла передает один или несколько валентных электронов атому неметалла. Такую связь
называют ионной. Например, при взаимодействии атомов натрия и фтора атом натрия отдает свой
единственный внешний электрон атому фтора:
Образующиеся заряженные частицы называются ионами. При этом и натрий, и фтор завершают
электронные оболочки и приобретают октет электронов:
Na+: 1s22s22p6.
F−: 1s22s22p6.
Ионная связь – это связь, реализующаяся за счет электростатического притяжения положительных
и отрицательных ионов.
При взаимодействии атомов металлов происходит обобществление валентных электронов, в
результате чего образуется металлическая связь.
Металлическая связь - это связь между положительными ионами в кристаллах металлов,
осуществляемая за счет общих электронов, свободно перемещающихся по кристаллу.
Валентные электроны атомов металлов достаточно слабо связаны с ядрами атомов и могут легко
отрываться от них. В результате в кристаллической решетке металла появляются положительно
заряженные ионы и свободные электроны. Поэтому в кристаллической решетке металлов
существует большая свобода перемещения электронов: одни из атомов будут терять свои
электроны, а образующиеся ионы могут принимать эти электроны из «электронного газа».
Как следствие, любой металл в твердом состоянии представляет собой ряд положительных ионов,
локализованных в определенных положениях кристаллической решетки. Связь между этими
ионами осуществляется за счет большого количества электронов, сравнительно свободно
перемещающихся в поле положительных центров. На рис. 1 представлена схема кристаллической
решетки натрия.
- катион Na+
- свободно перемещающийся электрон
Рис.1. Схема кристаллической решетки натрия.
Представление об «электронном газе» позволяет объяснить специфические свойства
металлического состояния, а именно, высокие электрическую проводимость и теплопроводность
металлов, их металлический блеск. Электроны «электронного газа» легко перемещаются в металле
под действием разности потенциалов. Высокая теплопроводность металлов обусловлена
способностью электронов переносить кинетическую энергию. Металлический блеск есть следствие
способности электронного газа хорошо отражать световые волны. Металлы характеризуются
пластичностью, а многие из них также прочностью и часто высокими температурами плавления и
кипения.
Помимо ковалентной, ионной и металлической, существует еще один специфический вид связи
между атомами – водородная, которая занимает промежуточное положение между химической
связью и межмолекулярным взаимодействием.
Водородная связь – это связь между положительно ионизированным атомом водорода одной
молекулы и отрицательно ионизированным электроотрицательным атомом другой молекулы.
Водородные связи образуются, например, между молекулами фтороводорода (на рисунке они
показаны пунктирными линиями).
Так как электронная плотность в молекуле фтороводорода сильно смещена от водорода к фтору, то
атом водорода приобретает частично положительный заряд, а атом фтора – частично
отрицательный. За счет этого между молекулами фтороводорода возникает электростатическое
притяжение: Положительно ионизированные атомы водорода одной молекулы притягивают
отрицательно ионизированные атомы фтора другой молекулы.
Водородная связь возникает также между молекулами воды, рис.2:
Рис.2. Образование водородных связей между молекулами воды
Водородные связи приблизительно в 20 раз менее прочные, чем ковалентные, но именно они
заставляют воду быть жидкостью или льдом (а не газом) в обычных условиях. Водородные связи
разрушаются только тогда, когда жидкая вода переходит в пар.