Химические связи

Ковалентные связи

Ковалентная связь — связь, образующаяся между атомами, у которых одинаковая или мало отличающаяся электроотрицательность, за счет образования общей электронной пары.

Как известно электроны в атомах находятся на орбиталях, а они в свою очередь могут иметь различную форму:

• s-орбитали (сферическая форма)

• p-орбитали (гантелеобразная форма)

• d-орбитали

В случае образования связи (образование общей электронной пары), происходит перекрывание орбиталей, которое может происходить различным образом, в виду этого также выделяют:

• σ- связи – образуются при перекрывании орбиталей так, что область перекрывания пересекается линией, соединяющей ядра

• π- связи – образуются при перекрывании орбиталей, в двух областях (над и под линией соединяющей ядра атомов)

В зависимости от количества образованных общих электронных пар (кратности связи) разделяют:

• Простые (одинарные) – являются σ- связью

• Двойные – образована из одной σ- и одной π- связи

• Тройные – образована из одной σ- и двух π- связи

Максимальная валентность атома С равна 4!

Валентность — количество химических связей, которые образует атом, или число атомов, которое может присоединить или заместить атом данного элемента.

Существует два типа обозначения ковалентной связи:

• Чертой

• Точками (электронами)

Разделяют два механизма образования ковалентной связи:

• Обменный механизм – связь образуется за счет предоставления одного электрона от каждого атома

• Донорно-акцепторный – связь, образованная между донором и акцептором

Донор — это атом или ион, который предоставляет неподеленную электронную пару.

Акцептор — атом, предоставляющий вакантную орбиталь.

Донорно-Акцепторный тип связи встречается в соединениях:

• Соли аммония
• Соли фосфония 
• Угарный газ {CO}
• Азотная кислота
• Комплексные соединения

В зависимости от элементов образующих ковалентную связь выделяют:

• Неполярные связи – связь, в которой общая пара электронов равноудалена от атомных ядер и одинаково принадлежит обоим атомам.

Данная связь наблюдается, когда электроотрицательность атомов, образующих связь, одинакова. Это говорит о том, что атомы равноценно стягиваю электронную плотность, в результате вероятность нахождения (плотность вероятности) электронов сосредоточена точно между двумя атомами.

• Полярные связи – связь, электронный обмен между двумя атомами в молекуле вещества, при котором общая пара электронов смещается к одному атому.

Данная связь наблюдается, когда электроотрицательность атомов, образующих связей, неодинакова. Данное различие в электроотрицательности приводит к смещению электронной плотности к более электроотрицательному. Следует учесть, что разница в электроотрицательности не должна быть сильно большой, чтобы не происходило образование ионов.

Такая связь встречается только в связях между атомами неметаллов разной природы!

Смещение плотности к одному из атомов, приводит к деформации молекулы, которая становится диполем. Край, в котором лежит более электроотрицательный атом, обладает отрицательным зарядом, а сам атом частично отрицательны, что обозначается как δ^—. Соответственно для более электроположительного атома δ⁺, а край положительный.

Смещение плотности к одному из атомов обозначается →, направленной к тому атому, к которому она смещается.

Химические свойства ковалентной связи

Качественные свойства:

• Направленность 
• Насыщаемость 
• Поляризуемость
• Полярность

Направленность связи – определяет молекулярное строение веществ и геометрическую форму их молекул. Если в молекуле больше двух атомов, то между двумя связями выделяется угол, называемый валентным.

Насыщаемость связи – способность атомов образовывать ограниченное число ковалентных связей. Данное ограничение фиксируется числом вакантных орбиталей.

Поляризуемость связи – смещение электронов в данной связи под действием внешнего электрического поля, в том числе и другой реагирующей частицы. Поляризуемость определяется подвижностью электронов. Электроны тем подвижнее, чем дальше они расположены от ядер.

Полярность связи – неравномерное распределение электронной плотности вследствие различия электроотрицательности атомов. Данное свойство, критерий полярной и неполярной связи.

Все вышеперечисленные свойства определяют реакционную способность молекул, однако из них только поляризуемость и полярность определяют реакционную способность по отношению к полярным реагентам. 

Количественные характеристики:

• Энергия связи
• Длина связи
• Дипольный момент

Энергия связи – энергия, выделяющаяся при образовании связи, или необходимая для ее разрушения. Энергия связи характеризует прочность данной связи.

Единицы измерения: Ε [кДж/моль]

Длина связи – расстояние между центрами связанных атомов. Чем больше длина связи, тем она менее прочная и наоборот.

Единицы измерения: L [нм]; [Å]

Нанометр нм=10^-9м

Ангстрем Å=10^-10м

Дипольный момент – векторная величина, характеризующая полярность связи.

Единицы измерения: (Дебай) D=3,4 Кл*м

Физические свойства ковалентной связи

• Низкие температуры плавления и кипения
• Летучие
• Электрический ток плохо проходит через эти соединения, поэтому они плохие проводники тока, следовательно, хорошие изоляторы
• Соединения типа углеводороды; сульфиды, галогениды, оксиды неметаллов под действием тепла могут загораться

Ионные связи

Ионная связь — связь, возникающая в результате электростатического притяжения катионов и анионов.

Катион — положительно заряженный ион (молекула или атом).

Характеризуется величиной положительного электрического заряда.

Анион — отрицательно заряженный ион (молекула или атом). Отрицательный заряд обусловлен избытком электронов по сравнению с количеством протонов.

Образование данных ионов обусловлено значительной разницей в электроотрицательностях. Как было озвучено в ковалентной связи, важно знать граничный переход между ковалентной и ионной связью. 

Так ионная вязь будет образовываться если разница в электроотрицательностях >2!

Большая разница э.о. говорит, о сильном смещении электронной плотности к одному атому, вследствие чего возникает электростатическое взаимодействие между атомами (молекулами) образующих данную связь, однако важно учитывать, что полного перехода электрона к атому не происходит!

Разница в электроотрицательностях данного примера: F(4,0)- Na(0,93)=3,07 

Данное значение больше 2, поэтому мы можем смело сказать, что связь ионная.

Ионная связь в большинстве случаев проявляется в связях между атомами разной природы, в которых выделяют металлы и неметаллы. Однако возможно проявление связи между атомом и группой атомов, в роли которых могут выступать кислотные остатки, а атомом в данного случае будет какой-то металл.

Химические свойства ионной связи

Качественные свойства:

• Ненаправленность
• Ненасыщаемость

Ненаправленность – заключается в представлении иона как заряженного шара, который может притягивать ион противоположного знака по любому направлению.

Ненасыщаемость – проявляется в том, что взаимодействие с ионом противоположного заряда не приводит к полной компенсации силовых полей, в результате чего способность притягивать ионы по другим направлениям сохраняется.

Количественные свойства:

• Энергия связи
• Длина связи
• Дипольный момент

Физические свойства:

• Нелетучие
• Тугоплавкие
• Твердые
• Диссоциация в воде (растворимость)
• Проводят электрический ток (в растворе и расплаве)

Металлическая связь

Металлическая связь — это связь между положительными ионами металлов и общими электронами, которые свободно движутся по всему объёму.

Металлическая связь наблюдается в металлах, где он существует в виде кристалла, с металлической кристаллической решёткой, в узлах которой находятся ядра металлов. Электроны же свободно летают между этих узлов.

Металлическая связь рассматривается с точки зрения теории электронного газа:

• Частичная ионизация атомов с образованием катионов происходит из-за того, что электроны атомов металлов слабо связаны с ядром. Поэтому, в узлах кристаллической решетки металла могут находиться как нейтральные атомы, так и катионы металла.
• Ионизация приводит к тому, что в объеме металла формируется так называемый электронный газ, представляющий собой совокупность слабосвязанных с ионами электронов, перемещающихся в пространстве между узлами кристаллической решетки. Электронный газ подчиняется кинетической теории газов. Атомы, ионы и электроны представляют собой твердые сферы, которые движутся по прямым линиям до столкновения друг с другом.
• Вдоль любой оси кристалл металла представляет собой чередующиеся области положительного (катионы в узлах решетки) и отрицательного заряда (облака электронного газа). Поэтому металлическая связь не направлена. Взаимодействие между электронами и ионами обеспечивает стабильность системы в целом.

В металлической связи в основном рассматриваются физические свойства, так как химические свойства, это свойства самого металла.

Физические свойства металлической связи

• Электропроводность
• Теплопроводность 
• Металлический блеск и непрозрачность металлов
• Пластичность
• Повышенные температуры плавления

Электропроводность — наличие в системе электронного газа позволяет существование направленного движения электронов под действием внешнего электрического поля. Поэтому все металлы обладают высокой электропроводностью.

Теплопроводность — перенос тепловой энергии происходит как за счет перемещающихся по системе электронов, так и за счет колеблющихся ионов, способных передавать кинетическую энергию соседним ионам, что говорит о высокой теплопроводности. Данное свойство позволяет применять соединения с данной связью, например, в качестве материала радиаторов.

Металлический блеск и непрозрачность металлов — объясняется тем, что пространство между узлами кристаллической решетки занято движущимся электронным газом, поэтому попадающие кванты света упруго взаимодействуют с потоком электронов и отражаются от поверхности металла.

Пластичность – объясняется тем, что механическое воздействие на металл, слои атомов и ионы смещаются относительно друг друга, что вызывает перераспределение атомов (ионов) и электронного газа в пространстве, однако при этом не происходит разрушения кристалла. Пластичность является отличительным свойством многих металлов, благодаря этому некоторые из них могут быть прокатаны в тонкие листы и вытянуты в проволоку.

Водородные связи

Водородная связь – связь между положительно заряженным атомом водорода с сильноотрицательными элементами. Чаще всего рассматривается N,O,Cl,F.

Ковалентные связи H–O, H–F, H–N, H–Cl являются сильно полярными, так как на атоме водорода образуется избыточный положительный заряд, а на противоположных атомах – избыточный отрицательный заряд. Между разноименно заряженными краями возникают силы электростатического притяжения – водородные связи.

Различают водородные связи:

• межмолекулярными

• внутримолекулярными 

Энергия водородной связи примерно в десять раз меньше энергии обычной ковалентной связи, но тем не менее водородные связи играют большую роль во многих физико-химических и биологических процессах.

Характеристики водородной связи:

• Направленность
• Насыщаемость

Влияние водородной связи на физические свойства соединения:

• Увеличение температуры кипения и плавления

Присутствие водородной связи добавляет дополнительную энергию связывания молекул, хоть и небольшую, однако ее достаточно, чтобы привести к аномальному изменению температуры кипения и плавления, а именно к их увеличению.

Водородная связь оказывает большое влияние на свойства многих веществ, особенно в биологических системах. Например, водородная связь определяет довольно некомпактную упаковку молекул воды во льду, поэтому плотность льда меньше плотности жидкой воды.