Основы химической связи

Химическая связь — взаимодействие атомов, ионов или групп атомов, благодаря которому образуются устойчивые вещества. Вид связи определяется прежде всего электронным строением атомов: какие электроны участвуют во взаимодействии и насколько сильно атомы притягивают их.

Почему образуется химическая связь

Изолированный атом стремится перейти в состояние с меньшей энергией. При сближении атомов взаимодействуют их внешние, или валентные, электроны. Если притяжение между ядрами и электронами соседних атомов приводит к понижению энергии системы, образуется химическая связь.

Устойчивым часто оказывается электронное строение благородных газов: внешний уровень заполнен, обычно до восьми электронов. Это называют правилом октета. Для первого энергетического уровня действует правило двух электронов. Однако правило октета является удобным ориентиром, а не универсальным законом: у некоторых соединений встречаются неполные или расширенные внешние уровни.

Электроны могут переходить от одного атома к другому, становиться общими для двух атомов или перемещаться по всему кристаллу. Поэтому выделяют ионную, ковалентную и металлическую связь. В школьной классификации также отдельно рассматривают водородную связь как особое межмолекулярное взаимодействие, но к основным внутривещественным связям её обычно не относят.

Электроотрицательность и классификация связей

Электроотрицательность атома — способность атома притягивать к себе общие электронные пары. Чем больше различие электроотрицательностей соединённых атомов, тем сильнее смещение электронной плотности к одному из них.

Здесь \(\Delta\chi\) — разность электроотрицательностей атомов. Границы между видами связи условны: по одной только разности электроотрицательностей нельзя механически определить строение вещества. Нужно учитывать состав, свойства и способ существования частиц.

Ковалентная связь: общие электронные пары

Ковалентная связь образуется общей электронной парой, принадлежащей двум атомам. Один атом предоставляет по одному электрону, и после объединения электроны занимают область между ядрами. В электронно-точечных схемах такую пару изображают двумя точками или чертой; подробнее способ записи приведён на странице электронной формулы связи.

Если атомы одинаковы, электронная пара притягивается к ним примерно одинаково: это неполярная ковалентная связь. Если атомы различаются по электроотрицательности, пара смещается к одному из них: возникает полярная ковалентная связь. Полярность связи не всегда означает полярность всей молекулы: например, в симметричной молекуле смещения могут взаимно компенсироваться.

Ковалентная связь может быть одинарной, двойной или тройной. Одинарная связь содержит одну общую электронную пару, двойная — две, тройная — три. Чем выше кратность, тем обычно короче и прочнее связь между данными атомами.

Если оба электрона общей пары предоставляет один атом, связь называют донорно-акцепторной. Донор предоставляет электронную пару, а акцептор имеет свободную орбиталь для её размещения. После образования такая связь не отличается по физическому смыслу от других ковалентных связей.

Ионная и металлическая связь

Ионная связь возникает вследствие электростатического притяжения противоположно заряженных ионов. Обычно металл отдаёт валентные электроны и превращается в катион, а неметалл принимает электроны и превращается в анион. В ионном соединении нельзя выделить отдельные молекулы: ионы образуют общую упорядоченную структуру.

Например, атом натрия отдаёт один электрон, а атом хлора принимает его. Возникают ионы \(\mathrm{Na^+}\) и \(\mathrm{Cl^-}\), между которыми действует притяжение. В твёрдом состоянии они располагаются в ионной кристаллической решётке. Ионные вещества обычно твёрдые, хрупкие, имеют высокие температуры плавления; их расплавы и растворы проводят электрический ток.

Металлическая связь существует в металлах. Положительные частицы, связанные с атомными остовами, расположены в узлах решётки, а валентные электроны перемещаются по всему кристаллу. Поэтому металлы хорошо проводят электрический ток и тепло, обладают пластичностью и металлическим блеском.

Как определить тип связи

Для экзамена удобно использовать алгоритм, а затем проверять результат по составу вещества и его строению. Подробное сравнение признаков приведено на странице определение типа химической связи.

1. Определите, какие элементы кіреді в состав вещества: металлы, неметаллы или только неметаллы.
2. Если соединены металл и неметалл, сначала предположите ионную связь.
3. Если соединены неметаллы, предположите ковалентную связь; одинаковые атомы дают неполярную, разные — полярную.
4. Если рассматривается простое вещество-металл, укажите металлическую связь.
5. Проверьте, не требуется ли назвать тип связи внутри многоатомного иона или особый донорно-акцепторный механизм.

Связь с кристаллическим строением и свойствами

Тип связи объясняет свойства вещества, но не заменяет описание его строения. В молекулярных веществах существуют отдельные молекулы, между которыми действуют более слабые взаимодействия. В ионных, атомных и металлических кристаллах частицы образуют единую пространственную структуру. Поэтому температура плавления, растворимость, твёрдость и электропроводность зависят не только от состава, но и от энергии кристаллической решётки и характера частиц в узлах.