10. Типы химической связи (ковалентная , ионная, металлическая, водородная)

Химическая связь возникает благодаря взаимодействию электрических полей создаваемых электронами и ядрами атомов, т.е. химическая связь имеет электрическую природу.

Под химической связью понимают результат взаимодействия 2х или более атомов приводящий к образованию устойчивой многоатомной системы. Условием образования химической связи является уменьшение энергии взаимодействующих атомов, т.е. молекулярное состояние вещества энергетически более выгодно, чем атомное. При образовании химической связи атомы стремятся получить завершенную электронную оболочку.

Различают: ковалентную, ионную, металлическую, водородную и межмолекулярную.

Ковалентная связь – наиболее общий вид химической связи, возникающий за счет обобществления электронной пары посредством 

обменного механизма –, когда каждый из взаимодействующих атомов поставляет по одному электрону, или по донорно-акцепторному механизму, если электронная пара передается в общее пользование одним атомом (донором – N, O, Cl, F) другому атому (акцептору – атомы d-элементов ).

Характеристики хим связи.

1 – кратность связей – между 2мя атомами возможна только 1 сигма-связь, но наряду с ней между теми же атомами могут быть пи и дельта-связь, что приводит к образованию кратных связей. Кратность определяется числом общих электронных пар.

2 – длина связи – межъядерное расстояние в молекуле, чем больше кратность, тем меньше ее длина.

3 – прочность связи – это количество энергии необходимое для ее разрыва

4 – насыщаемость ковалентной связи проявляется в том, что одна атомная орбиталь может принимать участие в образовании только одной к.с. Это свойство определяет стехиометрию молекулярных соединений.

5 – направленность к.с. в зависимости от того, какую форму и какое направление имеют электронные облака в пространстве при их взаимном перекрывании могут образовываться соединения с линейной и угловой формой молекул.

Ионная связь – образуется между атомами которые сильно отличаются по электроотрицательности. Это соединения главных подгрупп 1 и 2 групп с элементами главных подгрупп 6 и 7 групп. Ионной называют химическую связь, которая осуществляется в результате взаимного электростатического притяжения противоположно заряженных ионов.

Механизм образования ионной связи: а) образование ионов взаимодействующих атомов; б) образование молекулы за счет притяжения ионов.

Ненаправленность и ненасыщенность ионной связи

Силовые поля ионов равномерно распределяются во всех направлениях поэтому каждый ион может притягивать к себе ионы противоположного знака в любом направлении. В этом заключается ненаправленность ионной связи. Взаимодействие 2х ионов противоположного знака не приводит к полной взаимной компенсации их силовых полей. Поэтому у них сохраняется способность притягивать ионы и по другим направлениям, т.е. ионная связь характеризуется ненасыщенностью. Поэтому каждый ион в ионном соединении притягивает такое число ионов противоположного знака, чтобы образовалась кристаллическая решетка ионного типа. В ионном кристалле нет молекул. Каждый ион окружен определенным числом ионов другого знака (координационное число иона).

Металлическая связь – хим. Связь в металлах. У металлов имеется избыток валентных орбиталей и недостаток электронов. При сближении атомов их валентные орбитали перекрываются благодаря чему электроны свободно перемещаются из одной орбитали в другую, осуществляется связь между всеми атомами металла. Связь которую осуществляют относительно свободные электроны между ионами металла в кристаллической решетке называется металлической связью. Связь сильно делокализована и не обладает направленностью и насыщенностью , т.к. валентные электроны равномерно распределены по кристаллу. Наличие свободных электронов обусловливает существование общих свойств металлов: непрозрачность, металлический блеск, высокая электро и теплопроводность, ковкость и пластичность.

Водородная связь – связь между атомом Н и сильноотрицательным элементом (F, Cl, N, O, S). Водородные связи могут быть внутри- и межмолекулярными. ВС слабее ковалентной связи. Возникновение ВС объясняется действием электростатических сил. Атом Н обладает маленьким радиусом и при смещении или отдаче единственного электрона Н приобретает сильный положительный заряд, который действует на электроотрицательность.

Химическая связь. Ковалентная и ионная связи

Определение 1

При изучении строения молекулы появляется вопрос о природе сил, которые обеспечивают связь между нейтральными атомами, входящими в их состав. Такие связи между атомами в молекуле получили название химической связи.

Классифицируют на два типа:

• ионная связь;
• ковалентная связь.

Деление производится условно. Большинство случаев характеризуется наличием черт обоих типов связей. При помощи детальных и эмпирических исследований можно установить в каждом случае соотношение между степенью «ионности» и «ковалентности» связи.

Опытным путем доказали, что при разъединении молекулы на составные (атомы) необходимо совершить работу. То есть процесс ее образования должен сопровождаться выделением энергии. Если два атома водорода пребывают в свободном состоянии, то имеют большую энергию по сравнению с атомами в двухатомной молекуле h3. Выделяемая при образовании молекулы энергия считается мерой работы сил взаимодействия, связывающих атомы в молекулу.

Опыты доказывают, что появление силы взаимодействия между атомами идет вследствие наличия внешних валентных электронов атомов. Это возможно благодаря резкому изменению оптического спектра атомов, вступающих в химические реакции при сохранении без изменения рентгеновского характеристического спектра атомов, независимо от типа химического соединения.

Линейчатые оптические спектры определены состоянием валентных электронов, а характеристическое рентгеновское излучение определено при помощи внутренних электронов, то есть их состояния. Химические взаимодействия включают в себя участие электронов, требующих небольшую энергию для прохождения их изменений. Этой функцией обладают внешние электроны. Они отличаются меньшим потенциалом ионизации по сравнению с электронами внутренних оболочек.

Ионная связь

Существует предположение о природе химической связи атомов в молекуле, которое говорит о появлении силы взаимодействия электрической природы между внешними электронами. Для выполнения условия устойчивости должны существовать два взаимодействующих атома с электрическими зарядами противоположного знака. Тип химической связи может быть реализован только в части молекул. После взаимодействия атомов происходит превращение в ионы. Когда атом присоединяет один или несколько электронов, тогда становится отрицательным ионом, а другой – положительным ионом.

Ионная связь похожа на силы притяжения между зарядами с противоположными знаками. Если положительно заряженный ион натрия Na+ будет притянут к отрицательному хлору Cl-, то получим молекулу NaCl, которая служит явным примером ионной связи.

Определение 2

Иначе говоря, ионная химическая связь называется гетерополярной (гетеро — разный). Молекулы и ионными типами связи – ионные или гетерополярные

Виды химических связей. Ковалентная и ионная связь

Как известно, атомы не могут существовать изолированно друг от друга. Они входят в состав либо простых, либо сложных веществ.

Только благородные или инэртные газы представляют собой одноатомные молекулы. В состав остальных веществ могут входить два атома, сотни и даже тысячи атомов. Сила, которые связывает эти молекулы, радикалы или кристаллы называется химическая связь.

Таким образом, химическая связь – это взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в более сложные системы (молекулы, радикалы, кристаллы и др.)

.

Существовать атомам изолированно друг от друга энергетически невыгодно, поэтому при их взаимодействии друг с другом достигается более устойчивое состояние, то есть состояние с минимально возможным запасом энергии. Это состояние является основной причиной образования химической связи.

А основным условием образования химической связи является понижение полной энергии системы по сравнению с суммарной энергией изолированных атомов.

Например, при взаимодействии атомов А и Б образуется вещество АБ, энергия этого вещества будет меньше, чем суммарная энергия отдельных атомов А и Б.

Именно поэтому, образование химической связи всегда сопровождается выделением энергии.

Природа сил химической связи – электростатическая, так как обусловлена различными видами взаимодействия положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.

В образовании химической связи принимают участие валентные электроны, то есть те электроны, которые находятся на внешнем энергетическом уровне и наименее прочно связаны с ядром. При образовании химической связи каждый атом хочет завершить свой внешний энергетический уровень.

Внешний энергетический уровень считается завершённым, если на нём 8 электронов, исключение составляет первый период, где для завершения внешнего уровня необходимо 2 электрона.

Достичь этого состояния можно, если атомы при образовании химической связи объединят свои электроны с образованием общей электронной пары.

В зависимости от способа обобществления электронов различают ковалентную, ионную и металлическую связь.

Ковалентная связь возникает между двумя атомами неметаллов с одинаковыми или разными значениями электроотрицательности.

Рассмотрим образование химической связи на примере молекулы водорода.

У каждого атома водорода на внешнем энергетическом уровне один электрон, до завершения внешнего уровня ему не хватает одного электрона. При сближении двух атомов водорода происходит частичное перекрывание электронных облаков неспаренных электронов с антипараллельными спинами. В зоне перекрывания облаков возникает область повышенной электронной плотности.

Образование этой химической связи можно показать с помощью электронных формул, где валентные электроны показаны в виде точек, или с помощью графических (структурных) формул, где пару электронов обозначают с помощью черточки.

Электронные формулы

Каждая такая чёрточка показывает ковалентную связь. Образование химической связи также можно показать с помощью электронно-графических схем, в которых указываются орбитали внешнего энергетического уровня.

Графические (структурные) формулы

Так, при образовании молекулы водорода, химическая связь возникает в результате перекрывания двух эс-орбиталей.

Электронно-графические схемы

То есть, ковалентная связь – это химическая связь, которая возникает в результате обобществления электронов с образованием общих электронных пар.

В молекуле водорода атомы связаны одной химической связью. Такую связь называют одинарной.

Причем, эта ковалентная связь образовалась путём перекрывания атомных орбиталей вдоль линии связи, поэтому такая связь называется сигма-связью (

Рассмотрим пример образования химических связей в молекуле азота.

У атома азота на внешнем энергетическом уровне находится пять электронов, до завершения внешнего слоя ему не хватает трёх электронов. Поэтому в образовании химической связи принимают участие три неспаренных электрона от каждого атома. Схему образования молекулы азота также можно изобразить в виде электронной и графической формулы.

Электронная формула

Графическая (структурная) формула

Та пара электронов, которая образует ковалентную связь, называется связывающей, а та пара электронов, которая не участвует в образовании связи, называется несвязывающей. Ещё называют неподелённой парой электронов, так как она принадлежит только одному атому. У каждого атома азота по одной такой паре электронов.

В молекуле азота между двумя атомами возникает тройная связь.

Причём, одна связь образовалась путём перекрывания пэ-электронных облаков вдоль линии связи, поэтому эта сигма-связь. Две другие связи образовались путём перекрывания вертикально направленных облаков пэ-электронов.

Это перекрывание идёт уже не вдоль линии, соединяющей центры атомов, а по обе стороны от неё. Таким образом, возникает две области перекрывания. Такая связь называется пи-связью.

Сигма-связь – это ковалентная связь, которая возникает при перекрывании электронных облаков по обе стороны от линии, соединяющей ядра атомов.

В образовании пи-связей принимают участие только пэ- и дэ-облака.

Различают два вида ковалентной связи: полярную и неполярную. Мы рассматривали примеры образования молекулы водорода и азота, эта ковалентная связь образована атомами одного и того же химического элемента, электронная пара симметрично располагалась между двумя атомами с одинаковой электроотрицательностью. Такая ковалентная связь называется неполярной.

Ковалентная полярная связь возникает между атомами разных химических элементов, то есть с различной электроотрицательностью и общая электронная пара смещается к атому с большей электроотрицательностью.

Например, в образовании молекулы хлороводорода принимают участия атомы водорода и хлора, которые различаются по электротрицательности, причём общая электронная пара будет смещена к атому хлора, потому что он более электроотрицательный, чем водород.

При образовании молекулы происходит перекрывание эс-электронного облака атома водорода и пэ-электронного облака атома хлора. В результате смещения общей электронной пары к атому хлора на атоме хлора возникает частичный отрицательный заряд, а на атоме водорода – частичный положительный заряд, который условно обозначается греческой буквой «дэльта», которая показывает, что этот заряд меньше единицы.

Значение заряда можно использовать как оценку полярности связи: чем больше частичные заряды на атомах, тем больше полярность связи. Если взять молекулу фтороводорода и хлороводорода, то связь в молекуле фтороводорода будет более полярной, чем в молекуле хлороводорода, так как частичные заряды на атомах водорода и фтора плюс ноль целых сорок три сотых и минус ноль целых сорок три сотых, а на атомах водорода и хлора – плюс ноль целых восемнадцать сотых и минус ноль целых восемнадцать сотых.

Полярные молекулы можно представить в виде диполя, в котором один полюс положительный, а второй – отрицательный. Например, связь в молекуле хлороводорода является ковалентной полярной, сама молекула тоже полярная.

В молекуле метана дело обстоит по-другому. Связи углерод-водородные являются полярными, а вот сама молекула является неполярной. Это объясняется тем, что молекула метана имеет вид тэтраэдра и полярность всех связей взаимно компенсируется.

Поэтому полярность молекулы зависит от полярности связей и от геометрии молекулы. Так, молекула воды имеет угловое строение, поэтому её молекула полярная и представляет собой диполь, а молекула угарного газа имеет линейное строение, потому сама молекула неполярна.

Существует два основных механизма образования ковалентной связи – это обменный и донорно-акцэпторный.

Например, в образовании молекулы аммиака принимают участие три неспаренных электрона атома азота и один электрон от каждого атома водорода. У атома азота остаётся ещё одна неподелённая пара электронов. Каждая связь между азотом и водородом является полярной, поэтому вся молекула аммиака представляет собой диполь, она имеет форму пирамиды, на вершине которой расположен атом азота.

Поэтому механизм образования ковалентной связи за счёт обобществления неспаренных электронов двух взаимодействующих атомов называется обменным.

Кроме того, образование ковалентной связи возможно и при взаимодействии атомов, один из которых имеет пару неподелённых электронов, а другой – свободную орбиталь. Например, при образовании молекулы АБ. При этом атом А предоставляет атому Б пару электронов, и эта пара электронов становится связывающей и возникает ковалентная связь.

Атом, который предоставляет электронную пару, называется донором, а атом, у которого есть свободная орбиталь – акцэптором. Поэтому данный механизм образования ковалентной связи называется донорно-акцэпторным.

Донорно-акцэпторный механизм образования ковалентной связи – это такой механизм, при котором ковалентная связь возникает за счёт неподелённой пары электронов одного атома и свободной орбитали другого атома.

Разберём данный механизм на примере образования иона аммония. Он образуется в результате взаимодействия аммиака с раствором кислоты.

В образовании химической связи в ионе аммония принимают участие неподелённая пара электронов азота и свободная орбиталь иона водорода.

Донорно-акцэпторный механизм позволяет объяснить существование иона гидроксония, эта частица образуется в результате гидратации иона водорода. При образовании иона гидроксония донором электронной пары является кислород, а акцэптором – ион водорода, который предоставляет свободную орбиталь.

Ковалентная связь имеет свои характеристики. Одной из важных характеристик ковалентной связи является её прочность. Мерой этой прочности является энергия, которую необходимо затратить, чтобы разорвать химическую связь. Эту характеристику называют энергией связи.

Например, в молекуле водорода энергия связи равна 435 килоджоулей на моль, у молекулы фтора 159 килоджоулей на моль, а у молекулы азота 943 килоджоуля на моль. Соответственно, чем меньше энергия связи, тем менее прочной является ковалентная связь и тем больше реакционная способность вещества.

Ещё одной важной характеристикой ковалентной связи является длина связи, то есть это расстояние между ядрами атомов.

С увеличение радиусов атомов длина связи между ними увеличивается, а прочность связи – уменьшается. Например, связь между атомами водорода более прочная, чем связь между атомами фтора, так длина её связи ноль целых семьдесят четыре тысячных нанометра, а связи между атомами фтора ноль целых сто сорок два тысячных нанометра.

Например, в органических соединениях длина одинарной связи ноль целых сто пятьдесят четыре нанометра, энергия связи 348 килоджоулей на моль, длина двойной связи ноль целых сто тридцать три нанометра, энергия связи 635 килоджоулей на моль, а длина тройной связи ноль целых сто двадцать нанометров, энергия этой связи 830 килоджоулей на моль. Таким образом, энергия двойной или тройной связи меньше удвоенной или утроенной энергии одинарной связи, поэтому одинарная связь, которая является сигма-связью, более прочная, чем пи-связь.

Ковалентная связь характеризуется насыщаемостью. То есть число ковалентных связей, которое может образовывать атом, ограниченно.  Число связей, которое может образовывать тот или иной атом определяется числом орбиталей, которые принимают участие в образовании химической связи.

Например, элементы второго периода, у которых на внешнем уровне только 4 орбитали (одна эс- и три пэ-орбитали) могут образовывать не более 4-х ковалентных связей. В образовании химических связей у других атомов принимают участие и дэ-орбитали внешнего и предвнешнего энергетического уровня.

Ковалентная связь характеризуется направленностью, так как в образовании этой связи принимают участие электронные облака различной формы, и они расположены так в пространстве, чтобы их перекрывание было максимально.

Если происходит перекрывание эс-облаков, то ковалентная связь может располагаться в любом направлении относительно центра атома. Если же ковалентная связь образована за счёт перекрывания пэ-облаков, то область перекрывания располагается вдоль линии связи, и определена пространственной ориентацией пэ-облака.

Рассмотрим ионную связь. Она возникает между атомами с различной электроотрицательностью.

Причём, в отличие от ковалентной полярной связи, разница в электроотрицательности атомов должна быть большой, поэтому общая электронная пара практически полностью смещена к атому с большей электроотрицательностью. В результате этого образуются положительно и отрицательно заряженные ионы. Эти ионы удерживаются силами электростатического притяжения.

Таким образом, ионная связь – это химическая связь, которая осуществляется за счёт электростатического взаимодействия противоположно заряженных ионов.

Как правило, ионная связь образуется между атомами типичных металлов и типичных неметаллов. Например, хлорид натрия. Ион натрия образуется при отрыве от атома одного электрона, а ион хлора образуется при присоединении к атому хлора одного электрона. Между этими образовавшимися ионами возникает электростатическое притяжение, в результате чего образуется ионное соединение.

При образовании химической связи электроны от атома натрия перешли к атому хлора и образовались противоположно заряженные ионы, которые имеют завершенный внешний энергетический уровень.

Установлено, что электроны от атома металла не отрываются полностью, а лишь смещаются в сторону атома хлора, как в ковалентной связи. И это смещение тем больше, чем больше разность в электроотрицательности. Типичный пример ионной связи – это фторид цэзия, где разница в электроотрицательности очень большая, но даже здесь электрон атома цезия не полностью переходит к атому фтора.

Поэтому мы можем говорить об ионной химической связи с определённой долей ковалентной.

Большинство бинарных соединений, которые содержат атомы металлов, являются ионными. Например, оксиды, галогениды, сульфиды, нитриды.

Ионная связь возникает также между простыми катионами и простыми анионами, а также между простыми катионами и сложными анионами. Поэтому к ионным соединениям относят соли и основания.

Ионная и ковалентная связь 2020

Ионная и ковалентная связь В химии молекула и соединение образуются, когда два или более атома соединяются друг с другом посредством химического процесса, известного как связывание. Существует два типа химического связывания «ковалентный и ионный». В ионной форме химического связывания атомы, которые связаны между собой, делают это путем притяжения ионов, которые имеют противоположный заряд, и число электронов, которые обмениваются в процессе, могут изменяться. Однако при химическом соединении атомы разделяют электроны.

При ионном связывании электроны полностью переносятся от одного из связующих атомов к другому. Именно электростатические силы заставляют ионы с противоположным зарядом притягиваться друг к другу. Например, при ионном связывании между натрием и хлором натрий теряет свой единственный электрон, который положительно заряжен отрицательно заряженным ионом хлора. При ионной связи атом, теряющий свой электрон, сжимается, а атом, получающий электроны, растет в размерах. Это не так в ковалентной связи, в которой ионы распределены одинаково. Ковалентное связывание происходит, когда атомы возникают, потому что атомы в соединении обладают одинаковой способностью приобретать и терять ионы. Таким образом, ионные связи могут образовываться между металлами и неметаллами, тогда как ковалентные связи образуются между двумя неметаллами.

Ионные связи также могут быть растворены в воде и других типах полярных растворителей. Кроме того, ионные соединения являются очень хорошими проводниками электричества. Ионные связи также приводят к образованию кристаллических твердых веществ с высокой температурой плавления. Ионные соединения также всегда являются твердыми.

Между тем, в отличие от ионного связывания, ковалентное связывание требует наличия молекул в их истинной форме и, следовательно, ковалентные молекулы не притягиваются друг к другу, а существуют свободно в жидкостях или газах при комнатной температуре. Ковалентное связывание также может приводить к множественному склеиванию, в отличие от ионного связывания. Это связано с тем, что некоторые атомы обладают способностью обмениваться несколькими электронными парами, тем самым формируя одновременно несколько ковалентных связей.

Химическая связь. Ковалентная и ионная связи

Химическая связь

Когда изучают строение молекулы, возникает вопрос о природе сил, обеспечивающих связь между нейтральными атомами, входящими в состав молекулы. Такие связи между атомами в молекуле называют химической связью. Выделяют два типа химических связей:

• ионная связь,
• ковалентная связь.

Это деление в известной мере условно. В большинстве случаев связь имеет характерные черты обоих типов связей. Только детальные теоретические и эмпирические исследования дают возможность установить в каждом случае соотношение между степенью «ионности» и «ковалентности» связи.

Эмпирически доказано, что для разъединения молекул на составные части (атомы) следует выполнить работу. Значит, процесс образования молекулы должен быть сопровожден выделением энергии. Так, 2 атома водорода, пребывающие в свободном состоянии имеют большую энергию, чем те же атомы в двухатомной молекуле $H_2.$ Энергия, выделяемая при образовании молекулы, служит мерой работы сил взаимодействия, которые связывают атомы в молекулу.

Опыты показали, что силы взаимодействия между атомами появляются благодаря внешним валентным электронам атомов. Об этом говорит резкое изменение оптического спектра атомов вступающих в химические реакции при сохранении без изменения рентгеновского характеристического спектра атомов не зависимо от рода химического соединения. Мы помним, что линейчатые оптические спектры определены состоянием валентных электронов, тогда как характеристическое рентгеновское излучение определяют внутренние электроны (их состояния). Понятно, что в химических взаимодействиях должны участвовать электроны, для изменения которых требуется относительно небольшая энергия. Такими электронами являются внешние электроны атомов. Их потенциал ионизации существенно меньше, чем у электронов внутренних оболочек.

Ионная связь

Самым простым предположением о природе химической связи атомов в молекуле является гипотеза о том, что между вешними электронами появляются силы взаимодействия электрической природы. При этом обязательным условием устойчивости молекулы в таком случае будет существование у двух атомов, которые взаимодействуют, электрических зарядов противоположного знака. Данный тип химической связи реализуется только в части молекул. При этом атомы, вступающие во взаимодействие, превращаются в ионы. Один из атомов присоединяет к себе один или несколько электронов и становится отрицательным ионом, при этом другой атом, отдавший электроны становится положительным ионом.

Ионная связь аналогична силам притяжения между зарядами противоположных знаков. Так, например, положительно заряженный ион натрия (${Na}^+$) притягивается к отрицательно заряженному иону хлора (${Cl}^-$), при этом образуется молекула NaCl.

Ионную связь называют еще гетерополярной (гетеро — разный). Молекулы, в которых реализуется ионный тип связи, называют ионными или гетерополярными молекулами.

При помощи одной ионной связи не удается объяснить структуры всех молекул. Так, невозможно понять, почему образуют молекулу два нейтральных атома водорода. Из-за одинаковости атомов водорода нельзя считать, что один ион водорода несет положительный заряд, а другой отрицательный. Связь, подобная связи в молекуле водорода (между нейтральными атомами) объяснима только в рамках квантовой механики. Она называется ковалентной связью.

Ковалентная связь

Химическую связь, которая осуществляется между электрически нейтральными атомами в молекуле, называют ковалентной или гомеополярной связью (гомео — одинаковый). Молекулы, которые образованы на основе такой связи, называют гомеополярными или атомными молекулами.

В классической физике известен один тип взаимодействия, которое реализуется между нейтральными телами — это гравитация. Но гравитационные силы слишком слабые для того, чтобы с их помощью можно было объяснить взаимодействие в гомеополярной молекуле.

Физическая сущность ковалентной связи заключается в следующем. Электрон в поле ядра пребывает в определенном квантовом состоянии с определенной энергией. При изменении расстояния между ядрами корректируется и состояние движения электрона, и его энергия. Если расстояние между атомами уменьшается, то энергия взаимодействия, между ядрами увеличивается, так как между ними действуют силы отталкивания. Но, если энергия электрона с уменьшением расстояния уменьшается быстрее, чем растет энергия взаимодействия ядер, то совокупная энергия системы при этом становится меньше. Значит, в системе, которая составлена из двух отталкивающихся ядер и электрона действуют силы, которые стремятся уменьшить расстояние между ядрами (действуют силы притяжения). Эти силы и порождают ковалентную связь в молекуле. Они появляются из-за наличия общего электрона, то есть благодаря электронному обмену между атомами, и, значит, являются обменными квантовыми силами.

Ковалентная связь имеет свойство насыщения. Это свойство проявляется через определенную валентность атомов. Так, атом водорода может связываться с одним атомом водорода, атом углерода может быть связан с не более чем четырьмя атомами водорода.

Данная связь дает возможность объяснить валентность атомов, которая не получила в рамках классической физики исчерпывающего объяснения. Так, свойство насыщения непонятно с точки зрения природы взаимодействия в классической теории.

Ковалентная связь может наблюдаться не только в двухатомных молекулах. Она характерна для большого количества молекул неорганических соединений (окись азота, аммиак, метан и др.).

Количественная теория ковалентной связи была создана для молекулы водорода в 1927 г. В. Гайтлером и Ф Лондоном на основании понятий квантовой механики. Было показано, что причиной, которая вызывает создание молекулы с ковалентной связью, является кванотовомеханический эффект, который связан с неразличимостью электронов. Основная энергия связи определена обменным интегралом. Молекула водорода имеет суммарный спин равный нулю, она не имеет орбитального момента и в связи с этим должна быть диамагнитна. При столкновении двух атомов водорода молекула возникает только при условии, что спины обоих электронов антипараллельны. При параллельных спинах атомы водорода молекулы не образуют, так как отталкиваются.

Если ковалентная связь соединяет два одинаковых атома, то расположение электронного облака в молекуле является симметричным. Если ковалентная связь соединяет два разных атома, то расположение электронного облака в молекуле является асимметричным. Молекула, обладающая асимметричным распределением электронного облака, имеет постоянный дипольный момент и, значит, является полярной. В предельном случае, когда вероятность локализации электрона около одного из атомов превалирует над вероятностью нахождения этого электрона около другого атома, ковалентная связь переходит в ионную связь. Непреодолимой границы между ионной и ковалентной связью нет.

Пример 1

Задание: Опишите, что может произойти при сближении двух атомов.

Решение:

Если уменьшать расстояние между атомами, то возможна реализация трех ситуаций:

1. Одна пара электронов (или более) становятся общими для рассматриваемых атомов. Эти электроны перемещаются между атомами и проводят там времени больше, чем в других местах. Это создает силы притяжения.
2. Возникает ионная связь. При этом один (или более) электронов одного атома могут перейти к другому. Таким образом, появляются положительный и отрицательный ионы, который притягивают друг друга.
3. Не возникает связи. Электронные структуры двух атомов перекрываются и составляют единую систему. В соответствии с принципом Паули два электрона в такой системе не могут находиться в одном квантовом состоянии. Если некоторые из электронов вынуждены были перейти на более высокие энергоуровни, чем те, которые они занимали в отдельных атомах, то система будет иметь большую энергию и будет нестабильной. Даже, если удовлетворить принцип Паули, без увеличения энергии системы, то появляется электрическая сила отталкивания между разными электронами, но данный фактор оказывает гораздо меньшее влияние на создание связи, чем принцип Паули.

Пример 2

Задание: Энергией ионизации (потенциалом ионизации) элемента называют энергию, которая необходима для удаления электрона из одного его атома. Она служит мерой того насколько тесно связаны внешний электрон или электроны. Объясните, почему энергия ионизации лития больше, чем натрия, натрия больше, чем калия, калия больше, чем рубидия.

Решение:

Перечисленные элементы являются щелочными металлами и относятся к первой группе. Атом любого из этих элементов имеет единственный внешний электрон в s — состоянии. Электроны внутренних оболочек частично экранируют внешний электрон от ядерного заряда $(+Zq_e$), как следствие эффективный заряд, который удерживает внешний электрон, оказывается равен ${+q}_e$. Для удаления из такого атома внешнего электрона необходимо совершить относительно небольшую работу, при этом атомы щелочных металлов превращаются в положительные ионы. Чем больше атом, тем больше расстояние валентного электрона от ядра, тем меньше сила, с которой ядро его притягивает. Поэтому энергия ионизации убывает в данной группе элементов сверху вниз (имеется в виду периодическая система элементов). Рост энергии ионизации в каждом периоде слева направо связано с увеличением заряда ядра, при постоянстве количества внутренних экранирующих электронов.

material / ¬ â¥à¨ «®¢¥¤¥­ì¥ / 4

4.Типы связей: ионная, ковалентная, Ван-дер-Ваальса, металлическая. Их особенности и влияние на свойства кристаллов.

Существуют 4 типа связи атомов в веществе:

1 – ионная (галоидно-водородные соединения типа НСl, галоидные соединения щелочных металлов NaCl, окислы и т.п.), взаимодействие двух противоположно заряженных составных частей сводится к электростатическому их притяжению, силы взаимодействия между ними являются в основном электростатическими (кулоновскими), такая связь называется гетерополярной;

2 – ковалентная (СН₄, алмаз, графит, кремний, германий), характеризуется направленностью и жесткостью, наблюдается в кристаллах неметаллических элементов, валентные электроны одновременно принадлежат к двум соседним атомам, причем каждый атом стремится иметь максимальное число соседей, отдавая для связи с ним один из неспаренных электронов, связь гомеополярная;

3 — металлическая, в узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы металла, между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ионов, связь ненаправленная и нежесткая, т.к. свободные электроны не принадлежат определенному атому и распределены равномерно, отсюда и высокая пластичность металлов;

4 – Ван-дер-Ваальсова, когда в узлах кристаллической решетки помещаются определенным образом ориентированные молекулы, силы связи между молекулами описываются законом Ван-дер-Ваальса (Ar, Н₂, О₂, СО₂, Н₂0).

Для переходных металлов характерна смешанная связь – металлическая и ковалентная. Чем больше ковалентная связь, тем хуже металлические свойства, пластичность металлов и электропроводность уменьшаются.

Ковалентная связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов с близкими ионизационными потенциалами. В чистом виде ковалентная связь реализуется при взаимодействии элементов с наполовину заполненными электронными оболочками. H₂ ,C, Si, Ge, Sn. Соседние атомы обмениваются электронами.

Появление между положительно заряженными ионами пары отрицательно заряженных электронов приводит к тому, что оба иона притягиваются к обобществленным электронам и, тем самым, притягиваются друг к другу. Каждый атом взаимодействует с ограниченным числом соседей, причем число соседей равно числу валентных электронов атома. Следовательно, ковалентная связь насыщенна. Кроме того, атом взаимодействует только с теми соседями, с которыми он обменялся электронами, то есть ковалентная связь имеет направление.

Ионная связь образуется при взаимодействии атомов с малым количеством валентных электронов и атомов с большим количеством электронов на валентных оболочках. При этом наружные электроны атомов с низкими потенциалами ионизации переходят на валентные оболочки атомов с высокими ионизационными потенциалами. Ионная связь ненасыщенна, поскольку каждый из отрицательно заряженных ионов притягивает к себе положительно заряженные, а каждый из положительно заряженных ионов притягивает к себе все отрицательно заряженные. Однако ионная связь направлена, поскольку ион притягивает к себе разноименно заряженные ионы и отталкивает одноименно заряженные.

Уменьшение размера иона и увеличение его заряда ведет к росту энергии связи, а следовательно, к росту температуру плавления материала, уменьшению коэффициента теплового расширения и к увеличению модуля упругости.

Металлическая связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов, у которых валентные электронные оболочки застроены меньше чем на половину. Поскольку энергия иона минимальна при полностью заполненной внешней оболочке, атомы отдают внешние валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, между которыми находятся свободные электроны (электронный газ).

Металлическая связь не имеет направления и ненасыщенна. Кристаллические решетки металлов упакованы плотно.

Связь Ван-дер-Ваальса образуется при сближении молекул или атомов инертных газов и заключается в их связи между собой за счет постоянных или взаимно созданных дипольных моментов.

1. Типы металлических связей в твёрдых телах. Энергия межатомных связей: ионная, ковалентная, металлическая. Ковалентная связь образуется м/у атомами 1 или нескольких хим элементов с близкими ионизационными . Появление между положительно заряженными ионами пары отрицательно заряженных электронов приводит к тому, что оба иона притягиваются к обобществленным электронам и, тем самым, притягиваются друг к другу.  атом взаимодействует с ограниченным числом соседей, причем число соседей = числу валентных е атома  КС насыщенна. Атом взаимодействует тлк с теми соседями, с кот он обменялся е— т. е, КС направлена. Ионная связь образуется при взаимодействии атомов с малым количеством валентных е и атомов с большим количеством е на валентных оболочках. При этом наружные е атомов с низкими  ионизации переходят на валентные оболочки атомов с высокими ионизационными . В результате образуются «+» и «-» заряженные ионы, взаимно притягивающиеся электростатическими силами. ИС ненасыщенна, т.к  из «-» заряженных ионов притягивает к себе «+» заряженные, а  из «+» заряженных ионов притягивает к себе все «-» заряженные. ИС направлена, т.к. ион притягивает к себе разноименно заряженные ионы и отталкивает одноименно заряженные.  размера иона и увеличение его q ведет к  энергии связи   tПЛ материала,  коэффициента теплового расширения и к  модуля упругости. Металлическая связь образуется м/у атомами 1 или нескольких химических элементов, у которых валентные электронные оболочки застроены меньше чем на половину. Поскольку энергия иона min при полностью заполненной внешней оболочке, атомы отдают внешние валентные t и превращаются в «+» заряженные ионы, м/у кот находятся свободные е (электронный газ).  из «+» заряженных ионов притягивается к свободным е, и, тем самым, ионы притягиваются друг к другу. МС ненаправленная и ненасыщенна.

Задания 4. Химическая связь, состав и строение веществ.

Задание №1

Из предложенного перечня выберите два соединения, в которых присутствует ионная химическая связь.

• 1. Ca(ClO₂)₂
• 2. HClO₃
• 3. NH₄Cl
• 4. HClO₄
• 5. Cl₂O₇

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Ответ: 13

Определить наличие ионного типа связи в соединении в подавляющем большинстве случаев можно по тому, что в состав его структурных единиц одновременно входят атомы типичного металла и атомы неметалла.

По этому признаку мы устанавливаем, что ионная связь имеется в соединении под номером 1 — Ca(ClO₂)₂, т.к. в его формуле можно увидеть атомы типичного металла кальция и атомы неметаллов — кислорода и хлора.

Однако, больше соединений, содержащих одновременно атомы металла и неметалла, в указанном списке нет.

Помимо указанного выше признака, о наличии ионной связи в соединении можно говорить, если в составе его структурной единицы содержится катион аммония (NH₄⁺) или его органические аналоги — катионы алкиламмония RNH₃⁺, диалкиламония R₂NH₂⁺, триалкиламмония R₃NH⁺ или тетраалкиламмония R₄N⁺, где R — некоторый углеводородный радикал. Например, ионный тип связи имеет место в соединении (CH₃)₄NCl между катионом (CH₃)₄⁺ и хлорид-ионом Cl⁻.

Среди указанных в задании соединений есть хлорид аммония, в нем ионная связь реализуется между катионом аммония NH₄⁺ и хлорид-ионом Cl⁻.

Задание №2

Из предложенного перечня выберите два соединения, в которых тип химической связи такой же, как в молекуле фтора.

1) кислород

2) оксид азота (II)

3) бромоводород

4) иодид натрия

5) алмаз

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Ответ: 15

Молекула фтора (F₂) состоит из двух атомов одного химического элемента неметалла, поэтому химическая связь в данной молекуле ковалентная неполярная.

Ковалентная неполярная связь может быть реализована только между атомами одного и того же химического элемента неметалла.

Из предложенных вариантов ковалентный неполярный тип связи имеют только кислород и алмаз. Молекула кислорода является двухатомной, состоит из атомов одного химического элемента неметалла. Алмаз имеет атомное строение и в его структуре каждый атом углерода, являющегося неметаллом, связан с 4-мя другими атомами углерода.

Оксид азота (II) — вещество состоящее из молекул, образованных атомами двух разных неметаллов. Поскольку электроотрицательности разных атомов всегда различны, общая электронная пара в молекуле смещена к более электроотрицательному элементу, в данном случае к кислороду. Таким образом, связь в молекуле NO является ковалентной полярной.

Бромоводород также состоит из двухатомных молекул, состоящих из атомов водорода и брома. Общая электронная пара, образующая связь H-Br, смещена к более электроотрицательному атому брома. Химическая связь в молекуле HBr также является ковалентной полярной.

Иодид натрия — вещество ионного строения, образованное катионом металла и иодид-анионом. Связь в молекуле NaI образована за счет перехода электрона с 3s-орбитали атома натрия (атом натрия превращается в катион) на недозаполненную 5p-орбиталь атома иода (атом иода превращается в анион). Такая химическая связь называется ионной.

Задание №3

Из предложенного перечня выберите два вещества, между молекулами которых образуются водородные связи.

• 1. C₂H₆
• 2. C₂H₅OH
• 3. H₂O
• 4. CH₃OCH₃
• 5. CH₃COCH₃

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Ответ: 23

Пояснение:

Водородные связи имеют место в веществах молекулярного строения, в которых присутствуют ковалетные связи H-O, H-N, H-F. Т.е. ковалентные связи атома водорода с атомами трех химических элементов с наивысшей электроотрицательностью.

Таким образом, очевидно, водородные связи есть между молекулами:

1) воды

2) спиртов

3) фенолов

4) карбоновых кислот

5) аммиака

6) первичных и вторичных аминов

7) плавиковой кислоты

Задание №4

Из предложенного перечня выберите два соединения с ионной химической связью.

• 1. PCl₃
• 2. CO₂
• 3. NaCl
• 4. H₂S
• 5. MgO

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Ответ: 35

Пояснение:

Сделать вывод о наличии ионного типа связи в соединении в подавляющем большинстве случаев можно по тому, что в состав структурных единиц вещества одновременно входят атомы типичного металла и атомы неметалла.

По этому признаку мы устанавливаем, что ионная связь имеется в соединении под номером 3 (NaCl) и 5  (MgO).

Примечание*

Помимо указанного выше признака, о наличии ионной связи в соединении можно говорить, если в составе его структурной единицы содержится катион аммония (NH₄⁺) или его органические аналоги — катионы алкиламмония RNH₃⁺, диалкиламония R₂NH₂⁺, триалкиламмония R₃NH⁺ или тетраалкиламмония R₄N⁺, где R — некоторый углеводородный радикал. Например, ионный тип связи имеет место в соединении (CH₃)₄NCl между катионом (CH₃)₄⁺ и хлорид-ионом Cl⁻.

Задание №5

Из предложенного перечня выберите два вещества с одинаковым типом строения.

1) вода

2) алмаз

3) кварц

4) поваренная соль

5) золото

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Задание №6

Из предложенного перечня выберите два соединения, у которых ковалентная связь образована по донорно-акцепторному механизму.

• 1. CH₃NH₂
• 2. CCl₄
• 3. NH₄Cl
• 4. CH₃NH₃Br
• 5. SO₂Cl₂

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Задание №7

Из предложенного перечня выберите два соединения, которые имеют молекулярную кристаллическую решетку.

• 1. Cs₂O
• 2. I₂
• 3. KBr
• 4. NaI
• 5. HCl

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Задание №8

Из предложенного перечня выберите два вещества немолекулярного строения.

1) фтор

2) кислород

3) белый фосфор

4) бор

5) кремний

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Задание №9

Из предложенного перечня выберите два соединения с наиболее прочными химическими связями.

• 1. Cl₂
• 2. Br₂
• 3. O₂
• 4. I₂
• 5. N₂

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Задание №10

Из предложенного перечня выберите два соединения, в молекулах которых ковалентная связь образована одной общей электронной парой.

• 1. N₂
• 2. Cl₂
• 3. NO
• 4. HBr
• 5. O₂

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Задание №11

Из предложенного перечня выберите два вещества, в молекулах которых присутствует двойная связь между атомами углерода и кислорода.

1) этанол

2) фенол

3) формальдегид

4) уксусная кислота

5) глицерин

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Задание №12

Из предложенного перечня выберите два вещества с наиболее полярными связями.

• 1. HCl
• 2. HF
• 3. H₂O
• 4. H₂S
• 5. HI

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Задание №13

Из предложенного перечня выберите два вещества, в которых имеются и ковалентные полярные, и ионные связи.

• 1. NaCl
• 2. NaNO3
• 3. Na₂SO₄
• 4. Na
• 5. Na₂O

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Задание №14

Из предложенного перечня выберите два вещества с ионной связью.

1) кислород

2) вода

3) оксид углерода (IV)

4) хлорид натрия

5) оксид кальция

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Задание №15

Из предложенного перечня выберите два вещества с таким же типом кристаллической решетки, как у алмаза.

1) кремнезем SiO₂

2) оксид натрия Na₂O

3) угарный газ CO

4) белый фосфор P₄

5) кремний Si

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Задание №16

Из предложенного перечня выберите два вещества с ионной связью.

• 1. NH₄Cl
• 2. HCOONa
• 3. NH₃
• 4. HCOOH
• 5. CO

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Задание №17

Из предложенного перечня выберите два вещества с наибольшей длиной химической связи в молекуле.

• 1. HF
• 2. HCl
• 3. HBr
• 4. HI
• 5. H₂O

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Задание №18

Из предложенного перечня выберите два вещества, в молекулах которых есть одна π-связь.

• 1. SO₂
• 2. HBr
• 3. HCOOH
• 4. H₂
• 5. O₂

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Задание №19

Из предложенного перечня выберите два вещества с атомной кристаллической решеткой.

• 1. Cl₂
• 2. B
• 3. Cu
• 4. Si
• 5. P₄

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Задание №20

Из предложенного перечня выберите два вещества, в молекулах которых есть одна тройная связь.

• 1. HCOOH
• 2. HCOH
• 3. C₂H₄
• 4. N₂
• 5. C₂H₂

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Ответ: 45

Пояснение:

Для того, чтобы найти правильный ответ, нарисуем структурные формулы соединений из представленного списка:

Таким образом, мы видим, что тройная связь имеется в молекулах азота и ацетилена. Т.е. правильные ответы 45

Задание №21

Из предложенного перечня выберите два вещества, в молекулах которых есть ковалентная неполярная связь.

1) Гидроксид натрия

2) Вода

3) Метанол

4) Этан

5) Пероксид водорода

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Задание №22

Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, которые имеют молекулярную кристаллическую решётку.

• 1. CO₂
• 2. SiO₂
• 3. NH₃
• 4. NaH
• 5. PbO₂

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Решение

Задание №23

Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, для каждого из которых характерно наличие водородной связи между молекулами.

1) формальдегид

2) глицерин

3) бензол

4) уксусная кислота

5) толуол

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Решение

Задание №24

Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, которые имеют атомную кристаллическую решётку.

1) белый фосфор

2) сера

3) графит

4) кремний

5) натрий

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Решение

Задание №25

Из предложенного перечня веществ выберите два соединения, в которых одна из ковалентных связей образована по донорно-акцепторному механизму.

• 1. LiOH
• 2. Li₃PO₄
• 3. (NH₄)₂HPO₄
• 4. NH₄F
• 5. H₃PO₄

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Решение

Задание №26

Из предложенного перечня веществ выберите два соединения, в которых присутствует ковалентная полярная химическая связь.

1) оксид кремния

2) оксид лития

3) хлорид лития

4) силикат лития

5) кремний

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Решение

Задание №27

Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, в которых присутствует ионная химическая связь.

• 1. H₂SO₄
• 2. KNO₃
• 3. PCl₃
• 4. KCl
• 5. H₃BO₃

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Решение

Задание №28

Из предложенного перечня веществ выберите два соединения, в которых присутствует ионная связь.

1) хлороводород

2) хлорид натрия

3) оксид серы(IV)

4) аммиак

5) оксид натрия

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение

Задание №29

Из предложенного перечня веществ выберите два соединения, в которых присутствует ковалентная неполярная связь.

1) аммиак

2) иод

3) кислород

4) вода

5) метан

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Решение