Химическая связь и строение вещества

Различают ковалентную, ионную, металлическую химические связи. Ковалентная связь образуется за счёт образования общих электронных пар в межъядерном пространстве. Она образуется в основном между атомами неметаллов. Например: I₂, CO₂, HCl, CH₄.

Но к ковалентным соединениям относятся также соединения, которые состоят из атома кислорода и атома металла в степени окисления +5 и выше. Это кислотные оксиды металлов. Например: Mn₂O₇, CrO₃, OsO₄.

Ковалентную связь делят на полярную и неполярную. Ковалентная неполярная связь образована атомами одного неметалла. Например: H₂, N₂, F₂, P₄, S₈. В ковалентной неполярной связи общая электронная пара в равной степени принадлежит обоим атомам, так как образуется между атомами неметаллов с одинаковой электроотрицательностью.

Так, в молекуле Br₂ образовалась одна общая электронная пара. Эта связь всегда будет σ-типа. Когда образуется молекула О₂, то здесь появляется двойная связь, так как две общие электронные пары. Эта связь называется двойной и состоит из σ- и π-связи. В молекуле азота тройная связь, так как образуется три общие электронные пары. Эта связь состоит из одной σ-, и двух π-связей. Такие двойные и тройные связи называются кратными.

 Связи σ-типа образуются с участием атомных орбиталей всех типов: s-, p-, d. При этом атомные орбитали перекрываются вдоль линии, соединяющей ядра атомов. Связи π-типа образуются только при участии p- или d-орбиталей, причём атомные орбитали здесь перекрываются вне линии, соединяющей ядра атомов.

Ковалентная полярная связь образована атомами различных неметаллов. Например: CH₄, NH₃, H₂O, SiC, SO₃.

В ковалентной полярной связи общая электронная пара смещена к атому с большей электроотрицательностью, в результате чего у одного атома появляется частично положительный заряд, а у другого – частичный отрицательный заряд. Чем больше различия в электроотрицательности, тем больше частичные заряды (δ), тем более полярная связь.

Так в ряду H₂Se, H₂S, H₂O полярность связи возрастает, так как разница в электроотрицательности увеличивается, а также возрастает энергия связи, так как размеры взаимодействующих атомов уменьшаются и уменьшается длина связи.

Среди ковалентных соединений выделяют соединения, содержащие только одинарные σ-связи. Например: Br₂, H₂O, C₂H₆, H₂S.

Другие ковалентные соединения имеют как σ, так и π-связи. Например: O₂, N₂, H₂SO_4, C₆H_6, CH₃CHO.

Есть ковалентные соединения, которые одновременно содержат и ковалентную неполярную связь и ковалентную полярную связи. Например: H₂O₂, C₂H₂, N₂H₄, C₆H₆.

Cледует запомнить, что чем больше кратность связи, тем меньше её длина и больше энергия. Например, в молекулах CO, CO₂, CH₃ – OH, длина связи углерод-кислород растёт, а её энергия уменьшается.

Рассмотренный механизм образования ковалентной связи назывался обменным, потому что каждый атом предоставляет на образование связи по одному или несколько неспаренных валентных электронов. Но есть ещё и донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи, при котором один из атомов предоставляет на образование связи пару электронов – это атом донор, а другой предоставляет вакантную орбиталь – это атом акцептор. Связь, образованная по донорно-акцепторному механизму, присутствует в составе: NH₄⁺, H₃O⁺, CO, BF, BF₄^-, BH₄^-, HNO₃, N₂O₅, H₃N · BF₃, N₂H₄, NH₂OH, соли аминов. При этом основными донорами электронных пар являются О и N, но О донор в СО, а акцептор в HNO₃ и в N₂O₅. Основными акцепторами являются H⁺, B и С в СО.

Рассмотри механизм образования иона аммония. Атом азота в NH₃ имеет неподелённую пару электронов, а ион Н⁺ – свободную орбиталь, неподелённая пара электронов от азота переходит на свободную орбиталь и образуется ион NH₄⁺.

 Ионные соединения могут содержать только ионную связь, как некоторые бинарные соединения. К таким соединениям относятся бинарные соединения металлов с галогенами, халькогенами, водородом, азотом, фосфором и углеродом. Например: CuCl₂, Na₂S, KH, Ca₃N₂, Mg₃Р₂, Al₄C₃. К ионным соединениям, имеющим только ионную связь относятся основные и амфотерные оксиды. Например: BaO, Al₂O₃.

Ионные соединения могут иметь в составе ионную и ковалентную неполярную связи. К таким соединениям относятся дисульфиды (FeS₂), пероксиды (K₂O₂), ацетилениды (CaC₂). К ионным соединениям относятся соединения, содержащие ионную и ковалентную полярную связи. Например: основания (Ca(OH)₂), соли аммония (NH₄NO₃), соли металлов со сложными анионами (Na₂SO₄), соли аминов и аминокислот (CH₃NH₃Cl), алкоголяты (CH₃ONa), феноляты (C₆H₅OK).

Как правило, ионная связь образуется между типичными металлами и типичными неметаллами. Например, в KI.

Металлическая связь возникает между атомами в металлическом кристалле и обусловлена притяжением катионов и свободных электронов. Эта связь образуется в металлах и сплавах.

Различают ионную, металлическую, атомную и молекулярную кристаллическую решётки. Если связь в соединении ионная, то и кристаллическая решётка всегда ионного типа. Например: KNO₃, Ca₃N₂, Al₂O₃. Если связь металлическая, то и кристаллическая решётка всегда металлическая. Например: латунь, Fe, Cu. Если связь ковалентная, то кристаллическая решётка может быть атомной и молекулярной. Нужно запомнить вещества с атомной кристаллической решёткой. В ковалентной полярной связи это: SiC, SiO₂, а в ковалентной неполярной связи – это B, Si, алмаз, графит, чёрный и красный фосфор. Все остальные вещества с ковалентной связью имеют молекулярную кристаллическую решётку.

У веществ с ионным типом связи в узлах кристаллической решётки находятся ионы, связь между ними прочная, эти вещества тугоплавкие и нелетучие, твёрдые и хрупкие, многие растворимы в воде. Они плохо проводят электрический ток и теплоту, а растворы и расплавы их¸ как правило, проводят электрический ток. Эти вещества не имеют запаха. Вещества с металлическим типом связи в узлах кристаллической решётки имеют ионы металлов. Прочность связи у них различная. Эти вещества хорошо проводят электрический ток и тепло. Многие из них пластичны. Имеют характерный металлический блеск. У веществ с молекулярной кристаллической решёткой в узлах кристаллической решётки находятся молекулы. Прочность связи у этих веществ небольшая. У них низкие температуры кипения и плавления, они летучи, иногда имеют запах, для некоторых характерна сублимация (возгонка), как для йода и твёрдого СО₂. Для этих веществ характерна также небольшая твёрдость, а многие из них хорошо растворимы в воде. У веществ с атомной кристаллической решёткой в узлах кристаллической решётки находятся атомы, поэтому связь между атомами очень прочная, у этих веществ высокие температуры кипения и плавления, они нелетучи, очень твёрдые и практически не растворимы в воде, они не имеют запаха.

Водородную связь следует рассматривать, как вид межмолекулярной связи или частный случай ковалентной полярной связи. Она образуется при выполнении двух условий. Во-первых, в молекуле должен быть атом Н, во-вторых, атом Н должен быть связан в атомом F, O, N. Энергия водородной связи меньше, чем химической связи, но больше чем обычного межмолекулярного взаимодействия. Внутримолекулярная водородная связь соединяет различные части одной и той же молекулы. Такая внутримолекулярная водородная связь присутствует в молекулах белков, салициловой кислоте, нуклеиновых кислотах и так далее. Межмолекулярная водородная связь образуется между атомом Н одной молекулы и атомами F, O, N другой молекулы того же или другого вещества. Такая связь образуется между молекулами HF, CH₃COOH, H₂O и других

Таким образом, в молекулах HF, H₂O, CH₃COOH и других присутствуют не только ковалентные полярные связи, но и водородные. Водородная связь повышает взаимную растворимость веществ, повышает температуры плавления и кипения, а для воды приводит ещё и к высокому значению теплоёмкости.

Следует различать понятия «валентность» и «степень окисления». Валентность – это мера способности атома соединяться с другими атомами. То есть равна числу ковалентных связей, образованных данным атомом. Валентность – это целостное значение, знака не имеет и обозначается римскими цифрами. А степень окисления – это условный заряд атома в соединении, если предположить, что все образованные им связи являются ионными. Степень окисления может быть нулевой, дробной и целой, положительной и отрицательной, обозначается арабскими цифрами.

Численные (по модулю) значения валентности и степени окисления в большинстве случаев совпадают, например, в молекуле H₂O, NH₃. Но есть случаи, когда они не совпадают. Например, в молекуле Н₂О₂ В (О) = II, СО (О) = -1; в молекуле N₂H₄ В (N) = III, CO (N) = -2; в молекуле СО В (С) = В(О) = III, СО ( С) = +2, СО (О) = -2; в молекуле HNO₃ B (N) = IV, CO (N) = +5; в молекуле N₂O₅ B (N) = IV, CO (N) = +5; в ионе NH₄⁺ B (N) = IV, CO (N) = -3; в ионе H₃O⁺ B (O) = III, CO (O) = -2; в молекуле N₂ B (N) = III, CO (N) = 0; в молекуле O₂ B(O) = II, CO (O) = 0.