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.
Валентные электроны — электроны внешнего энергетического уровня, участвующие в образовании химических связей. У элементов главных подгрупп их число обычно связано с номером группы.
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.
Химическая связь образуется, если при взаимодействии частиц потенциальная энергия системы уменьшается. Разорвать связь можно, сообщив частицам энергию, называемую энергией связи.
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.
| Вид связи | Что происходит с электронами | Типичные участники | Пример |
|---|---|---|---|
| Ковалентная неполярная | Общая электронная пара распределена почти одинаково | Одинаковые или близкие неметаллы | \(\mathrm{H_2}\), \(\mathrm{Cl_2}\) |
| Ковалентная полярная | Общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому | Разные неметаллы | \(\mathrm{HCl}\), \(\mathrm{H_2O}\) |
| Ионная | Электрон в значительной степени переходит от одного атома к другому; образуются ионы | Металл и неметалл | \(\mathrm{NaCl}\) |
| Металлическая | Валентные электроны делокализованы и принадлежат всему кристаллу | Атомы металлов | \(\mathrm{Cu}\), \(\mathrm{Al}\) |
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.
Какая частица образуется, если атом натрия отдаёт один внешний электрон?
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.
- Определите, какие элементы входят в состав вещества: металлы, неметаллы или только неметаллы.
- Если соединены металл и неметалл, сначала предположите ионную связь.
- Если соединены неметаллы, предположите ковалентную связь; одинаковые атомы дают неполярную, разные — полярную.
- Если рассматривается простое вещество-металл, укажите металлическую связь.
- Проверьте, не требуется ли назвать тип связи внутри многоатомного иона или особый донорно-акцепторный механизм.
Определим тип связи в \(\mathrm{Cl_2}\), \(\mathrm{HCl}\) и \(\mathrm{MgO}\).
Не называйте любую связь между разными элементами ионной: например, в \(\mathrm{H_2O}\) связи между водородом и кислородом ковалентные полярные. Не путайте тип связи и тип кристаллической решётки. Также степень окисления — условный заряд атома в соединении; её правила собраны на странице степень окисления элемента.
Сначала определяйте частицы и их взаимодействие, а уже потом формулируйте ответ: «общая электронная пара» — ковалентная связь; «притяжение катионов и анионов» — ионная; «общие подвижные электроны металла» — металлическая.
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.
Проверь себя
Главное
- Химическая связь образуется, если взаимодействие атомов понижает энергию системы.
- Главную роль играют валентные электроны и электроотрицательность атомов.
- Ковалентная связь основана на общих электронных парах; она бывает неполярной и полярной.
- Ионная связь связана с притяжением катионов и анионов, а металлическая — с делокализованными электронами.
- При определении типа связи учитывайте состав вещества, электронное строение и реальное строение частиц.