Hcl ионная связь. Типы химических связей

169338 0

Каждый атом обладает некоторым числом электронов.

Вступая в химические реакции, атомы отдают, приобретают, либо обобществляют электроны, достигая наиболее устойчивой электронной конфигурации. Наиболее устойчивой оказывается конфигурация с наиболее низкой энергией (как в атомах благородных газов). Эта закономерность называется "правилом октета" (рис. 1).

Рис. 1.

Это правило применимо ко всем типам связей . Электронные связи между атомами позволяют им формировать устойчивые структуры, от простейших кристаллов до сложных биомолекул, образующих, в конечном счете, живые системы. Они отличаются от кристаллов непрерывным обменом веществ. При этом многие химические реакции протекают по механизмам электронного переноса , которые играют важнейшую роль в энергетических процессах в организме.

Химическая связь - это сила, удерживающая вместе два или несколько атомов, ионов, молекул или любую их комбинацию .

Природа химической связи универсальна: это электростатическая сила притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными ядрами, определяемая конфигурацией электронов внешней оболочки атомов. Способность атома образовывать химические связи называется валентностью , или степенью окисления . С валентностью связано понятие о валентных электронах - электронах, образующих химические связи, то есть находящихся на наиболее высокоэнергетических орбиталях. Соответственно, внешнюю оболочку атома, содержащую эти орбитали, называют валентной оболочкой . В настоящее время недостаточно указать наличие химической связи, а необходимо уточнить ее тип: ионная, ковалентная, диполь-дипольная, металлическая.

Первый тип связи - ионная связь

В соответствии с электронной теорией валентности Льюиса и Косселя, атомы могут достичь устойчивой электронной конфигурации двумя способами: во-первых, теряя электроны, превращаясь в катионы , во-вторых, приобретая их, превращаясь в анионы . В результате электронного переноса благодаря электростатической силе притяжения между ионами с зарядами противоположного знака образуется химическая связь, названная Косселем «электровалентной » (теперь ее называют ионной ).

В этом случае анионы и катионы образуют устойчивую электронную конфигурацию с заполненной внешней электронной оболочкой. Типичные ионные связи образуются из катионов Т и II групп периодической системы и анионов неметаллических элементов VI и VII групп (16 и 17 подгрупп - соответственно, халькогенов и галогенов ). Связи у ионных соединений ненасыщенные и ненаправленные, поэтому возможность электростатического взаимодействия с другими ионами у них сохраняется. На рис. 2 и 3 показаны примеры ионных связей, соответствующих модели электронного переноса Косселя.

Рис. 2.

Рис. 3. Ионная связь в молекуле поваренной соли (NaCl)

Здесь уместно напомнить о некоторых свойствах, объясняющих поведение веществ в природе, в частности, рассмотреть представление о кислотах и основаниях .

Водные растворы всех этих веществ являются электролитами. Они по-разному изменяют окраску индикаторов . Механизм действия индикаторов был открыт Ф.В. Оствальдом. Он показал, что индикаторы представляют собой слабые кислоты или основания, окраска которых в недиссоциированном и диссоциированном состояниях различается.

Основания способны нейтрализовать кислоты. Не все основания растворимы в воде (например, нерастворимы некоторые органические соединения, не содержащие ‑ ОН-групп, в частности, триэтиламин N(С 2 Н 5) 3) ; растворимые основания называют щелочами .

Водные растворы кислот вступают в характерные реакции:

а) с оксидами металлов - с образованием соли и воды;

б) с металлами - с образованием соли и водорода;

в) с карбонатами - с образованием соли, СO 2 и Н 2 O .

Свойства кислот и оснований описывают несколько теорий. В соответствие с теорией С.А. Аррениуса, кислота представляет собой вещество, диссоциирующее с образованием ионов Н + , тогда как основание образует ионы ОН ‑ . Эта теория не учитывает существования органических оснований, не имеющих гидроксильных групп.

В соответствие с протонной теорией Бренстеда и Лоури, кислота представляет собой вещество, содержащее молекулы или ионы, отдающие протоны (доноры протонов), а основание - вещество, состоящее из молекул или ионов, принимающие протоны (акцепторы протонов). Отметим, что в водных растворах ионы водорода существуют в гидратированной форме, то есть в виде ионов гидроксония H 3 O + . Эта теория описывает реакции не только с водой и гидроксидными ионами, но и осуществляющиеся в отсутствие растворителя или с неводным растворителем.

Например, в реакции между аммиаком NH 3 (слабым основанием) и хлороводородом в газовой фазе образуется твердый хлорид аммония, причем в равновесной смеси двух веществ всегда присутствуют 4 частицы, две из которых - кислоты, а две другие - основания:

Эта равновесная смесь состоит из двух сопряженных пар кислот и оснований:

1) NH 4 + и NH 3

2) HCl и Сl ‑

Здесь в каждой сопряженной паре кислота и основание различаются на один протон. Каждая кислота имеет сопряженное с ней основание. Сильной кислоте соответствует слабое сопряженное основание, а слабой кислоте - сильное сопряженное основание.

Теория Бренстеда-Лоури позволяет объяснить уникальность роли воды для жизнедеятельности биосферы. Вода, в зависимости от взаимодействующего с ней вещества, может проявлять свойства или кислоты, или основания. Например, в реакциях с водными растворами уксусной кислоты вода является основанием, а с водными растворами аммиака - кислотой.

1) СН 3 СООН + Н 2 O ↔ Н 3 O + + СН 3 СОО ‑ . Здесь молекула уксусной кислоты донирует протон молекуле воды;

2) NH 3 + Н 2 O ↔ NH 4 + + ОН ‑ . Здесь молекула аммиака акцептирует протон от молекулы воды.

Таким образом, вода может образовывать две сопряженные пары:

1) Н 2 O (кислота) и ОН ‑ (сопряженное основание)

2) Н 3 О + (кислота) и Н 2 O (сопряженное основание).

В первом случае вода донирует протон, а во втором - акцептирует его.

Такое свойство называется амфипротонностью . Вещества, способные вступать в реакции в качестве и кислот, и оснований, называются амфотерными . В живой природе такие вещества встречаются часто. Например, аминокислоты способны образовывать соли и с кислотами, и с основаниями. Поэтому пептиды легко образуют координационные соединения с присутствующими ионами металлов.

Таким образом, характерное свойство ионной связи - полное перемещение нары связывающих электронов к одному из ядер. Это означает, что между ионами существует область, где электронная плотность почти нулевая.

Второй тип связи - ковалентная связь

Атомы могут образовывать устойчивые электронные конфигурации путем обобществления электронов.

Такая связь образуется, когда пара электронов обобществляется по одному от каждого атома. В таком случае обобществленные электроны связи распределены между атомами поровну. Примерами ковалентной связи можно назвать гомоядерные двухатомные молекулы Н 2 , N 2 , F 2 . Этот же тип связи имеется у аллотропов O 2 и озона O 3 и у многоатомной молекулы S 8 , а также у гетероядерных молекул хлороводорода НСl , углекислого газа СO 2 , метана СH 4 , этанола С 2 Н 5 ОН , гексафторида серы SF 6 , ацетилена С 2 Н 2 . У всех этих молекул электроны одинаково общие, а их связи насыщенные и направлены одинаково (рис. 4).

Для биологов важно, что у двойной и тройной связей ковалентные радиусы атомов по сравнению с одинарной связью уменьшены.

Рис. 4. Ковалентная связь в молекуле Сl 2 .

Ионный и ковалентный типы связей - это два предельных случая множества существующих типов химических связей, причем на практике большинство связей промежуточные.

Соединения двух элементов, расположенных в противоположных концах одного или разных периодов системы Менделеева, преимущественно образуют ионные связи. По мере сближения элементов в пределах периода ионный характер их соединений уменьшается, а ковалентный - увеличивается. Например, галогениды и оксиды элементов левой части периодической таблицы образуют преимущественно ионные связи (NaCl, AgBr, BaSO 4 , CaCO 3 , KNO 3 , CaO, NaOH ), а такие же соединения элементов правой части таблицы - ковалентные (Н 2 O, СO 2 , NH 3 , NO 2 , СН 4 , фенол C 6 H 5 OH , глюкоза С 6 H 12 О 6 , этанол С 2 Н 5 ОН ).

Ковалентная связь, в свою очередь, имеет еще одну модификацию.

У многоатомных ионов и в сложных биологических молекулах оба электрона могут происходить только из одного атома. Он называется донором электронной пары. Атом, обобществляющий с донором эту пару электронов, называется акцептором электронной пары. Такая разновидность ковалентной связи названа координационной (донорно-акцепторной , или дативной ) связью (рис. 5). Этот тип связи наиболее важен для биологии и медицины, поскольку химия наиболее важных для метаболизма d-элементов в значительной степени описывается координационными связями.

Pиc. 5.

Как правило, в комплексном соединении атом металла выступает акцептором электронной пары; наоборот, при ионных и ковалентных связях атом металла является донором электрона.

Суть ковалентной связи и ее разновидности - координационной связи - можно прояснить с помощью еще одной теории кислот и оснований, предложенной ГН. Льюисом. Он несколько расширил смысловое понятие терминов «кислота» и «основание» по теории Бренстеда-Лоури. Теория Льюиса объясняет природу образования комплексных ионов и участие веществ в реакциях нуклеофильного замещения, то есть в образовании КС.

Согласно Льюису, кислота - это вещество, способное образовывать ковалентную связь путем акцептирования электронной пары от основания. Льюисовым основанием названо вещество, обладающее неподеленной электронной парой, которое, донируя электроны, образует ковалентную связь с Льюисовой кислотой.

То есть теория Льюиса расширяет круг кислотно-основных реакций также на реакции, в которых протоны не участвуют вовсе. Причем сам протон, по этой теории, также является кислотой, поскольку способен акцептировать электронную пару.

Следовательно, согласно этой теории, катионы являются Льюисовыми кислотами, а анионы - Льюисовыми основаниями. Примером могут служить следующие реакции:

Выше отмечено, что подразделение веществ на ионные и ковалентные относительное, поскольку полного перехода электрона от атомов металла к акцепторным атомам в ковалентных молекулах не происходит. В соединениях с ионной связью каждый ион находится в электрическом поле ионов противоположного знака, поэтому они взаимно поляризуются, а их оболочки деформируются.

Поляризуемость определяется электронной структурой, зарядом и размерами иона; у анионов она выше, чем у катионов. Наибольшая поляризуемость среди катионов - у катионов большего заряда и меньшего размера, например, у Hg 2+ , Cd 2+ , Pb 2+ , Аl 3+ , Тl 3+ . Сильным поляризующим действием обладает Н + . Поскольку влияние поляризации ионов двустороннее, она значительно изменяет свойства образуемых ими соединений.

Третий тип связи - диполь-дипольная связь

Кроме перечисленных типов связи, различают еще диполь-дипольные межмолекулярные взаимодействия, называемые также вандерваалъсовыми .

Сила этих взаимодействий зависит от природы молекул.

Выделяют взаимодействия трех типов: постоянный диполь - постоянный диполь (диполь-дипольное притяжение); постоянный диполь - индуцированный диполь (индукционное притяжение); мгновенный диполь - индуцированный диполь (дисперсионное притяжение, или лондоновские силы; рис. 6).

Рис. 6.

Диполь-дипольным моментом обладают только молекулы с полярными ковалентными связями (HCl, NH 3 , SO 2 , Н 2 O, C 6 H 5 Cl ), причем сила связи составляет 1-2 дебая (1Д = 3,338 × 10 ‑30 кулон-метра - Кл × м).

В биохимии выделяют еще один тип связи - водородную связь, являющуюся предельным случаем диполь-дипольного притяжения. Эта связь образована притяжением между атомом водорода и электроотрицательным атомом небольшого размера, чаще всего - кислородом, фтором и азотом. С крупными атомами, обладающими аналогичной электроотрицательностью (например, с хлором и серой), водородная связь оказывается значительно более слабой. Атом водорода отличается одной существенной особенностью: при оттягивании связывающих электронов его ядро - протон - оголяется и перестает экранироваться электронами.

Поэтому атом превращается в крупный диполь.

Водородная связь, в отличие от вандерваальсовой, образуется не только при межмолекулярных взаимодействиях, но и внутри одной молекулы - внутримолекулярная водородная связь. Водородные связи играют в биохимии важную роль, например, для стабилизации структуры белков в виде а-спирали, или для образования двойной спирали ДНК (рис. 7).

Рис.7.

Водородная и вандерваальсовая связи значительно слабее, чем ионная, ковалентная и координационная. Энергия межмолекулярных связей указана в табл. 1.

Таблица 1. Энергия межмолекулярных сил

Примечание : Степень межмолекулярных взаимодействий отражают показатели энтальпии плавления и испарения (кипения). Ионным соединениям требуется для разделения ионов значительно больше энергии, чем для разделения молекул. Энтальпии плавления ионных соединений значительно выше, чем молекулярных соединений.

Четвертый тип связи - металлическая связь

Наконец, имеется еще один тип межмолекулярных связей - металлический : связь положительных ионов решетки металлов со свободными электронами. В биологических объектах этот тип связи не встречается.

Из краткого обзора типов связей выясняется одна деталь: важным параметром атома или иона металла - донора электронов, а также атома - акцептоpa электронов является его размер .

Не вдаваясь в детали, отметим, что ковалентные радиусы атомов, ионные радиусы металлов и вандерваальсовы радиусы взаимодействующих молекул увеличиваются по мере возрастания их порядкового номера в группах периодической системы. При этом значения радиусов ионов - наименьшие, а вандерваальсовых радиусов - наибольшие. Как правило, при движении вниз по группе радиусы всех элементов увеличиваются, причем как ковалентные, так и вандерваальсовы.

Наибольшее значение для биологов и медиков имеют координационные (донорно-акцепторные ) связи, рассматриваемые координационной химией.

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

Химическая связь.

Упражнения.

1. Определить тип химической связи в следующих веществах:

Вещество		Хлорид фосфора	Серная кислота
Тип связи
Вещество		Оксид бария
Тип связи

2. Подчеркните вещества, в которых МЕЖДУ молекулами существует водородная связь :

сернистый газ; лёд; озон; этанол; этилен; уксусная кислота; фтороводород.

3. Как влияют на длину, прочность и полярность связи - радиусы атомов, их электроотрицательности, кратность связи?

а) Чем больше радиусы атомов, образовавших связь, тем длина связи _______

б) Чем больше кратность (одинарная, двойная или тройная) связи, тем её прочность ____________________

в) Чем больше разность электроотрицательностей между двумя атомами, тем полярность связи ____________

4. Сравните длину, прочность и полярность связей в молекулах:

а) длина связи: HCl ___HBr

б) прочность связи PH3_______NH3

в) полярность связи ССl4 ______CH4

г) прочность связи: N2 _______O2

д) длина связи между атомами углерода в этилене и в ацетилене: __________

е) полярность связей в NH3_________Н2О

Тесты. А4.Химическая связь.

1. Валентность атома - это

1) число химических связей, образованных данным ато­мом в соединении

2) степень окисления атома

3) число отданных или принятых электронов

4) число электронов, недостающее для получения элек­тронной конфигурации ближайшего инертного газа

А. При образовании химической связи энергия всегда выделяется

Б. Энергия двойной связи меньше, чем энергия одинарной связи.

1) верно только А 2) верно только Б 3) верны оба суждения 4) оба суждения неверны

3.В веществах, образованных путем соединения одинаковых атомов, химическая связь

1)ионная 2)ковалентная полярная 3)водородная 4) ковалентная неполярная

4. Соединениями с ковалентной полярной и ковалентной неполярной связью являются соответственно

1) вода и сероводород 2) бромид калия и азот

5. За счет общей электронной пары химическая связь об­разована в соединении

1) KI 2) НВr 3) Li2O 4) NаВr

6.Выберите пару веществ, все связи в которых - ковалентные:

1) NаСl, НСl 2) СО2, ВаО 3) СН3Сl, СН3Nа 4) SO2, NO2

7.Вещество с ковалентной полярной связью имеет формулу

1)KCl 2)HBr 3)Р4 4)CaCl2

8. Соединение с ионным характером химической связи

1)хлорид фосфора 2)бромид калия 3)оксид азота (II) 4)барий

9. В аммиаке и хлориде бария химическая связь соответственно

1) ионная и ковалентная полярная 2)ковалентная неполярная и ионная 3)ковалентная полярная и ионная 4)ковалентная неполярная и металлическая

10. Веществом с ковалентной полярной связью являются

1)оксид серы (IV) 2)кислород 3)гидрид кальция 4)алмаз

11. В каком ряду перечислены вещества только с ковалентной полярной связью:

1) СН4 Н2 Сl2 2)NH3 HBr CO2 3) PCl3 KCl CCl4 4) H2S SO2 LiF

12. В каком ряду перечислены вещества только с ионным типом связи:

1) F2O LiF SF4 2) PCl3 NaCl CO2 3) KF Li2O BaCl2 4) СаF2 CH4 CCl4

13. Соединение с ионной связью образуется при взаимодействии

1) CH4 и O2 2)NH3 и HCl 3) C2H6 и HNO3 4) SO3 и H2O

14. В каком веществе все химические связи - ковалентные неполярные?

1) Алмаз 2) Оксид углерода (IV) 3) Золото 4) Метан

15. Связь, образующаяся между элементами с порядковыми номерами 15 и 53

1)ионная 2)металлическая

3)ковалентная неполярная 4)ковалентная полярная

16. Водородная связь образуется между молекулами

1) этана 2) бензола 3) водорода 4) этанола

17. В каком веществе есть водородные связи ?

1) Сероводород 2)Лед 3) Бромоводород 4) Бензол

18.В каком веществе есть одновременно ионные и ковалентные химические связи?

1) Хлорид натрия 2) Хлороводород 3) Сульфат натрия 4) Фосфорная кислота

19. Более выраженный ионный характер имеет химическая связь в молекуле

1)бромида лития 2)хлорида меди 3)карбида кальция 4)фторида калия

20. Тремя общими электронными парами образована кова­лентная связь в молекуле 1) азота 2) сероводорода 3) метана 4) хлора

21.Сколько электронов участвует в образовании химических связей в молекуле воды?4) 18

22.Четыре ковалентные связи содержит молекула: 1) СО2 2) С2H4 3) Р4 4) С3Н4

23. Число связей в молекулах увеличивается в ряду

1) СНСl3, СH4 2) СН4, SО3 3) СО2, СН4 4) SО2, NН3

24. В каком соединении ковалентная связь между атомами образуется по донорно-акцепторному механизму ? 1)КСl 2)ССl4 3) NН4Сl 4)СаСl2

25. Какая из перечисленных молекул требует наименьшей затраты энергии для разложения на атомы? 1) HI 2) Н2 3) O2 4) СО

26. Укажите молекулу, в которой энергия связи - наиболь­шая:

1) N≡N 2) Н-Н 3) О=О 4) Н-F

27. Укажите молекулу, в которой химическая связь - самая прочная:

1) НF 2) НСl 3) НВr 4) HI

28. Укажите ряд, характеризующийся увеличением длины химической связи

1)O2, N2, F2, Cl2 2)N2, O2, F2, Cl2 3)F2, N2, O2, Cl2 4)N2, O2, Cl2, F2

29. Длина связи Э-O увеличивается в ряду

1) оксид кремния(IV), оксид углерода(IV)

2) оксид серы(IV), оксид теллура(IV)

3) оксид стронция, оксид бериллия

4) оксид серы(IV), оксид углерода(IV)

30. В ряду СН4 – SiH4 происходит увеличение

1) прочности связей 2) окислительных свойств

3) длины связей 4) полярности связей

31. В каком ряду молекулы расположены в порядке увеличе­ния полярности связей?

1)НF, НСl, НВr 2)Н2Sе, Н2S, Н2О 3) NH3, РН3, АsН3 4) СO2, СS2, СSе2

32. Наиболее полярна ковалентная связь в молекуле:

1) СН4 2) СF4 3) CCl4 4) CBr4

33.Укажите ряд, в котором полярность возрастает:

1)AgF, F2, HF 2)Cl2, HCl, NaCl 3)CuO, CO, O2 4) KBr, NaCl, KF

Ковалентная химическая связь, её разновидности и механизмы образования. Характеристики ковалентной связи (полярность и энергия связи). Ионная связь. Металлическая связь. Водородная связь.

1. В аммиаке и хлориде бария химическая связь соответственно

1) ионная и ковалентная полярная

2) ковалентная полярная и ионная

3) ковалентная неполярная и металлическая

4) ковалентная неполярная и ионная

2. Вещества только с ионной связью приведены в ряду:

1) F2, ССl­4, КС1

2) NaBr, Na2O, KI

3. Соединение с ионной связью образуется при взаимодействии

3) С2Н6 и HNO3

4. В каком ряду все вещества имеют ковалентную полярную связь?

1) HCl, NaCl. Cl2

4) NaBr. HBr. CO

5. В каком ряду записаны формулы веществ только с ковалентной полярной

1) С12, NO2, НС1

6. Ковалентная неполярная связь характерна для

1) С12 2) SO3 3) СО 4) SiO2

7. Веществом с ковалентной полярной связью является

1) С12 2) NaBr 3) H2S 4) MgCl2

8. Веществом с ковалентной связью является

1) СаС12 2) MgS 3) H2S 4) NaBr

9. Вещество с ковалентной неполярной связью имеет формулу

1) NH3 2) Сu 3) H2S 4) I2

10. Веществами с неполярной ковалентной связью являются

1) вода и алмаз

2) водород и хлор

3) медь и азот

4) бром и метан

11. Между атомами с одинаковой относительной электроотрицательностью образуется химическая связь

2) ковалентная полярная

3) ковалентная неполярная

4) водородная

12. Ковалентная полярная связь характерна для

1) KC1 2) НВг 3) Р4 4) СаСl2

13. Химический элемент, в атоме которого электроны по слоям распределены так: 2, 8, 8, 2 образует с водородом химическую связь

1)ковалентную полярную

2) ковалентную неполярную

4) металлическую

14. В молекуле какого вещества длина связи между атомами углерода наибольшая?

1} ацетилена 2) этана 3) этена 4) бензола

15. Тремя общими электронными парами образована ковалентная связь в молекуле

2) сероводорода

16. Водородные связи образуются между молекулами

1) диметилового эфира

2) метанола

3) этилена

4) этилацетата

17. Полярность связи наиболее выражена в молекуле

1) HI 2) НС1 3) HF 4) НВг

18. Веществами с неполярной ковалентной связью являются

1) вода и алмаз

2) водород и хлор

3) медь и азот

4) бром и метан

19. Водородная связь не характерна для вещества

1) Н2О 2) СН4 3) NH3 4) СНзОН

20. Ковалентная полярная связь характерна для каждого из двух веществ, формулы которых

2) СО2 и К2О

4) CS2 и РС15

21. Наименее прочная химическая связь в молекуле

1) фтора 2) хлора 3} брома 4} иода

22. В молекуле какого вещества длина химической связи наибольшая?

1) фтора 2) хлора 3) брома 4) иода

23. Ковалентные связи имеет каждое из веществ, указанных в ряду:

1) C4H10, NO2, NaCl

2} СО, CuO, CH3Cl

4} C6H5NO2, F2, CC14

24. Ковалентную связь имеет каждое из веществ, указанных в ряду:

1) СаО, С3Н6, S8

2) Fe. NaNO3, CO

3) N2, CuCO3, K2S

4) C6H5N02, SО2, CHC13

25. Ковалентную связь имеет каждое из веществ, указанных в ряду:

1} С3Н4, NO, Na2O

2) СО, СН3С1, PBr3

3) Р2Оз, NaHSO4, Сu

4) C6H5NO2, NaF, СС14

26. Ковалентные связи имеет каждое из веществ, указанных в ряду:

1) C3Ha, NO2, NaF

2) КС1, CH3Cl, C6H12О6

3) P2O5, NaHSO4, Ba

4) C2H5NH2, P4, CH3OH

27. Полярность связи наиболее выражена в молекулах

1) сероводорода

3) фосфина

4) хлороводорода

28. В молекуле какого вещества химические связи наиболее прочные?

29. Среди веществ NH4Cl, CsCl, NaNO3, PH3, HNO3 - число соединений с ионной связью равно

30. Среди веществ (NH4)2SO4, Na2SO4, CaI2, I2, CO2 - число соединений с ковалентной связью равно

Ответы: 1-2, 2-2, 3-4, 4-3, 5-4, 6-1, 7-3, 8-3, 9-4, 10-2, 11-3, 12-2, 13-3, 14-2, 15-1, 16-2, 17-3, 18-2, 19-2, 20-4, 21-4, 22-4, 23-4, 24-4, 25-2, 26-4, 27-4, 28-1, 29-3, 30-4

Характеристики химических связей

Учение о химической связи составляет основу всей теоретической химии. Под химической связью понимают такое взаимодействие атомов, которое связывает их в молекулы, ионы, радикалы, кристаллы. Различают четыре типа химических связей: ионную, ковалентную, металлическую и водородную . Различные типы связей могут содержаться в одних и тех же веществах.

1. В основаниях: между атомами кислорода и водорода в гидроксогруппах связь полярная ковалентная, а между металлом и гидроксогруппой - ионная.

2. В солях кислородсодержащих кислот: между атомом неметалла и кислородом кислотного остатка - ковалентная полярная, а между металлом и кислотным остатком - ионная.

3. В солях аммония, метиламмония и т. д. между атомами азота и водорода - ковалентная полярная, а между ионами аммония или метиламмония и кислотным остатком - ионная.

4. В пероксидах металлов (например, Na 2 O 2) связь между атомами кислорода ковалентная неполярная, а между металлом и кислородом - ионная и т. д.

Причиной единства всех типов и видов химических связей служит их одинаковая химическая природа - электронно-ядерное взаимодействие. Образование химической связи в любом случае представляет собой результат электронно-ядерного взаимодействия атомов, сопровождающегося выделением энергии.

Способы образования ковалентной связи

Ковалентная химическая связь - это связь, возникающая между атомами за счет образования общих электронных пар.

Ковалентные соединения – обычно газы, жидкости или сравнитель­но низкоплавкие твердые вещества. Одним из редких исключений явля­ется алмаз, который плавится выше 3 500 °С. Это объясняется строением алмаза, который представляет собой сплошную решетку ковалентно связанных атомов углерода, а не совокупность отдельных молекул. Фак­тически любой кристалл алмаза, независимо от его размера, представля­ет собой одну огромную молекулу.

Ковалентная связь возникает при объединении электронов двух атомов неметаллов. Возникшая при этом структура называется молекулой.

Механизм образования такой связи может быть обменный и донорно-акцепторный.

В большинстве случаев два ковалентно связанных атома имеют раз­ную электроотрицательность и обобществленные электроны не принад­лежат двум атомам в равной степени. Большую часть времени они нахо­дятся ближе к одному атому, чем к другому. В молекуле хлороводорода, например, электроны, образующие ковалентную связь, располагаются ближе к атому хлора, поскольку его электроотрицательность выше, чем у водорода. Однако разница в способности притягивать электроны не столь велика, чтобы произошел полный перенос электрона с атома водо­рода на атом хлора. Поэтому связь между атомами водорода и хлора можно рассматривать как нечто среднее между ионной связью (полный перенос электрона) и неполярной ковалентной связью (симмет­ричное расположение пары электронов между двумя атомами). Частич­ный заряд на атомах обозначается греческой буквой δ. Такая связь называется полярной ковалентной связью, а о молеку­ле хлороводорода говорят, что она полярна, т. е. имеет положительно заряженный конец (атом водорода) и отрицательно заряженный конец (атом хлора).

1. Обменный механизм действует, когда атомы образуют общие электронные пары за счет объединения неспаренных электронов.

1) Н 2 - водород.

Связь возникает благодаря образованию общей электронной пары s-электронами атомов водорода (перекрыванию s-орбиталей).

2) HCl - хлороводород.

Связь возникает за счет образования общей электронной пары из s- и р-электронов (перекрывания s-р-орбиталей).

3) Cl 2: В молекуле хлора ковалентная связь образуется за счет непарных р-электронов (перекрывание р-р-орбиталей).

4) N 2: В молекуле азота между атомами образуются три общие электронные пары.

Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи

Донор имеет электронную пару, акцептор - свободную орбиталь, которую эта пара может занять. В ионе аммония все четыре связи с атомами водорода ковалентные: три образовались благодаря созданию общих электронных пар атомом азота и атомами водорода по обменному механизму, одна - по донорно-акцепторному механизму. Ковалентные связи классифицируют по способу перекрывания электронных орбиталей, а также по смещению их к одному из связанных атомов. Химические связи, образующиеся в результате перекрывания электронных орбиталей вдоль линии связи, называются σ -связями (сигма-связями). Сигма-связь очень прочная.

р-орбитали могут перекрываться в двух областях, образуя ковалентную связь за счет бокового перекрывания.

Химические связи, образующиеся в результате «бокового» перекрывания электронных орбиталей вне линии связи, т. е. в двух областях, называются пи-связями.

По степени смещенности общих электронных пар к одному из связанных ими атомов ковалентная связь может быть полярной и неполярной. Ковалентную химическую связь, образующуюся между атомами с одинаковой электроотрицательностью, называют неполярной. Электронные пары не смещены ни к одному из атомов, т. к. атомы имеют одинаковую электроотрицательность - свойство оттягивать к себе валентные электроны от других атомов. Например,

т. е. посредством ковалентной неполярной связи об­разованы молекулы простых веществ-неметаллов. Ковалентную химическую связь между атома­ми элементов, электроотрицательности которых различаются, называют полярной.

Например, NH 3 - аммиак. Азот более электро­отрицательный элемент, чем водород, поэтому об­щие электронные пары смещаются к его атому.

Характеристики ковалентной связи: длина и энергия связи

Характерные свойства ковалентной связи - ее длина и энергия. Длина связи - это расстояние между ядрами атомов. Химическая связь тем проч­нее, чем меньше ее длина. Однако мерой прочности связи является энергия связи, которая определяет­ся количеством энергии, необходимой для разрыва связи. Обычно она измеряется в кДж/моль. Так, согласно опытным данным, длины связи молекул H 2 , Cl 2 и N 2 соответственно составляют 0,074, 0,198 и 0,109 нм, а энергии связи соответственно равны 436, 242 и 946 кДж/моль.

Ионы. Ионная связь

Для атома существует две основные возможности подчиниться прави­лу октета. Первая из них - образование ионной связи. (Вторая - образова­ние ковалентной связи, о ней речь пойдет ниже). При образовании ион­ной связи атом металла теряет электроны, а атом неметалла приобретает.

Представим себе, что «встречаются» два атома: атом металла I группы и атом неметалла VII группы. У атома металла на внешнем энергетическом уровне находится единственный электрон, а атому неметалла как раз не хватает именно одного электрона, чтобы его внешний уровень оказался завершенным. Первый атом легко отдаст второму свой далекий от ядра и слабо связанный с ним электрон, а второй предоставит ему свободное место на своем внешнем электронном уровне. Тогда атом, лишенный одного своего отрицательного заряда, станет положительно заряженной частицей, а второй превратится в отрицательно заряженную частицу благодаря полученному электрону. Такие частицы называются ионами.

Это химическая связь, возникающая между ионами. Цифры, показывающие число атомов или молекул, называются коэффициентами, а цифры, показывающие число атомов или ионов в молекуле, называют индексами.

Металлическая связь

Металлы обладают специфическими свойствами, отличающимися от свойств других веществ. Такими свойствами являются сравнительно высокие температуры плавления, способ­ность к отражению света, высокая тепло- и электропроводность. Эти особенности обязаны существованию в металлах особого вида связи - металлической связи.

Металлическая связь - связь между положительными иона­ми в кристаллах металлов, осуществляемая за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу. Атомы большинства металлов на внешнем уровне содержат небольшое число электронов - 1, 2, 3. Эти электроны легко отрываются , и атомы при этом превращаются в положительные ионы. Оторвавшиеся электроны перемещаются от одного иона к другому, связывая их в единое целое. Соединяясь с ионами, эти электроны образуют временно атомы, потом снова отрываются и соединяются уже с другим ионом и т. д. Бесконечно происходит процесс, который схематически можно изобразить так:

Следовательно, в объеме металла атомы непрерывно превращаются в ионы и наоборот. Связь в металлах между ионами посредством обобществленных электронов называется металлической. Металлическая связь имеет некоторое сходство с ковалентной, поскольку основана на обобществлении внешних электронов. Однако при ковалентной связи обобществлены внешние непарные электроны только двух соседних атомов, в то время как при металлической связи в обобществлении этих электронов принимают участие все атомы. Именно поэтому кристаллы с ковалентной связью хрупкие, а с металлической, как правило, пластичны, электропроводны и имеют металлический блеск.

Металлическая связь характерна как для чи­стых металлов, так и для смесей различных ме­таллов - сплавов, находящихся в твердом и жид­ком состояниях. Однако в парообразном состоянии атомы металлов связаны между собой ковалентной связью (например, парами натрия заполняют лам­пы желтого света для освещения улиц больших городов). Пары металлов состоят из отдельных мо­лекул (одноатомных и двухатомных).

Металлическая связь отличается от ковалентной также и по прочности: ее энергия в 3-4 раза меньше энергии ковалентной связи.

Энергия связи - энергия, необходимая для разрыва хими­ческой связи во всех молекулах, составляющих один моль ве­щества. Энергии ковалентных и ионных связей обычно велики и составляют величины порядка 100-800 кДж/моль.

Водородная связь

Химическую связь между положительно поляризованными атомами водорода одной молекулы (или ее части) и отрицательно поляризованными атомами сильно электроотрицательных элементов , имеющих наподеленные электронные пары (F, O, N и реже S и Cl), другой молекулы (или ее части) называют водородной. Механизм образования водородной связи имеет частично электростатический, частично донорно-акцепторный характер .

Примеры межмолекулярной водородной связи:

При наличии такой связи даже низкомолекулярные вещества могут быть при обычных условиях жидкостями (спирт, вода) или легко сжижающимися газами (аммиак, фтороводород). В биополимерах - белках (вторичная структура) - имеется внутримолекулярная водородная связь между карбонильным кислородом и водородом аминогруппы:

Молекулы полинуклеотидов - ДНК (дезокси­рибонуклеиновая кислота) - представляют собой двойные спирали, в которых две цепи нуклеотидов связаны друг с другом водородными связями. При этом действует принцип комплементарности, т. е. эти связи образуются между определенными пара­ми, состоящими из пуринового и пиримидиново­го оснований: против аденинового нуклеотида (А) располагается тиминовый (Т), а против гуанинового (Г) - цитозиновый (Ц).

Вещества с водородной связью имеют молеку­лярные кристаллические решетки.