Химическая связь в химии: типы и свойства (основные виды и значение в химии)

Концепции и немного истории

Валентность указывает на присутствие определенной силы. Возникновение такой связи происходит за счет обобщения атомных электронов, не имеющих «пары». Ковалентная связь возникает между атомами неметаллов и может наблюдаться как в молекулах, так и в кристаллах.

Впервые ковалентность была открыта в 1916 г химиком из США Дж. Льюисом, и потребовалось некоторое время, пока сформировалась гипотеза, а затем ее смогли обобщить, и она была доказана эмпирически. Химики узнали, что это был за прецедент, в котором они выявили: электроотрицательность неметаллов достаточно велика, и с помощью 2-х физических атомов притяжение электронов может оказаться сложной и даже невыполнимой задачей, так как она объединяется в 2 атомов, и между ними возникает ковалентность атомов.

Определение

В химии под химической связью понимают взаимное сцепление атомов молекулы и кристаллической решетки, в результате действия силы притяжения, существующей между атомами. Именно благодаря химическим связям образуются различные химические соединения, такова природа химической связи.

Кратко о химических связях

Итак, самое главное. Химическая связь – это взаимодействие атомов, причиной которого является стремление системы приобрести устойчивое состояние. При взаимодействии свободные внешние электроны атомов объединяются попарно, либо внешний электрон одного атома переходит к другому.

Образование химической связи сопровождается выделением энергии. Эта энергия растет с увеличением числа образующихся электронных пар и с уменьшением расстояния между ядрами атомов.

Основные виды химической связи: ковалентная (полярная и неполярная), ионная, металлическая и водородная. В отличие от всех остальных, водород ближе к молекулярным связям, так как может находиться как внутри одной молекулы, так и между разными молекулами.

Как определить тип химической связи:

• В неметаллических молекулах между атомами с одинаковым ЭО образуется полярная ковалентная связь.
• Неполярная ковалентная связь имеет место между атомами с разным ЭО.
• Ионная связь приводит к образованию и взаимному притяжению ионов. Происходит между атомами металла и неметалла.
• Металлическая связь существует только между атомами металла. Это взаимодействие положительных ионов в кристаллической решетке и свободных отрицательных электронов. Масса свободных электронов, рассеянных по всему объему, представляет собой «электронное облако».
• Водородная связь возникает, когда есть высокий атом EO и атом водорода, связанный с другим электроотрицательным веществом ковалентной связью.

Химическая связь и структура молекулы. Тип химической связи определяет кристаллическую решетку вещества: ионную, металлическую, атомную или молекулярную.

Таблица поможет определить тип химической связи в 8 классе.

Состав вещества

Элементы в веществе

Химическая связь

Тип кристаллической решетки

Типы связей

Механизм образования химической связи во многом зависит от ее типа или типа; В целом выделяют следующие основные типы химической связи:

• • Ковалентная химическая связь (которая, в свою очередь, может быть полярной или неполярной)
  • Ионная связь
  • Водородная связь
  • Химическое соединение металлов

Что касается ковалентной химической связи, то ей посвящена отдельная статья на нашем сайте, а более подробно вы можете прочитать по ссылке. Кроме того, мы подробно рассмотрим все остальные основные типы химических связей.

Основные характеристики химической связи:

• насыщение: ограничение количества связей, образующихся из-за конечного числа неспаренных электронов;
• полярность: неодинаковая плотность электронов между атомами и смещение общей пары электронов к одному из них;
• ориентация — ориентация связи в пространстве, расположение орбиталей атомов под определенным углом друг относительно друга.

Особенности ионной связи

Вещества с ионной химической связью обладают рядом характеристик:

• низкая волатильность;
• высокая температура плавления;
• низкая электростатическая проводимость из-за специфического строения кристаллической решетки;
• твердость, но в то же время хрупкость веществ;
• замечательная растворимость соединений в полярных растворителях.

Ионная связь

Образование ионной химической связи происходит, когда два иона с разными зарядами электрически притягиваются друг к другу. Ионы обычно с такими химическими связями просты и состоят из одного атома вещества.

Схема ионной химической связи.

Характерной чертой ионного типа химической связи является ее ненасыщенность, в результате чего с одним ионом или даже с целой группой ионов может связываться самое разное количество противоположно заряженных ионов. Примером ионной химической связи является соединение фторида цезия CsF, в котором уровень «ионности» составляет почти 97%.

Водородная связь

Задолго до появления современной теории химических связей в ее современной форме ученые-химики отмечали, что соединения водорода с неметаллами обладают рядом удивительных свойств. Допустим, температура кипения воды и вместе с фтороводородом намного выше, чем могла бы быть, вот нестандартный пример водородной химической связи.

На изображении представлена ​​схема образования химической водородной связи.

Природа и свойства водородной химической связи обусловлены способностью атома водорода Н образовывать другую химическую связь, отсюда и название этой связи. Причиной образования такой связи являются свойства электростатических сил. Например, общее электронное облако в молекуле фтористого водорода настолько смещено в сторону фтора, что пространство вокруг атома этого вещества насыщается отрицательным электрическим полем. Вокруг атома водорода, особенно лишенного своего единственного электрона, все с точностью до наоборот, его электронное поле гораздо слабее, и в результате он имеет положительный заряд. А положительные и отрицательные заряды, как известно, притягиваются друг к другу таким простым образом, что возникает водородная связь.

Металлическая связь

Этот тип связи образуется в металлах.

Атомы всех металлов имеют электроны на внешней электронной оболочке, которые имеют малую энергию связи с атомным ядром. Для большинства металлов потеря внешних электронов энергетически выгодна.

Ввиду столь слабого взаимодействия с ядром эти электроны в металлах очень подвижны, и в каждом металлическом кристалле непрерывно происходит следующий процесс:

M0 — ne- = Mn+, где M0 — нейтральный атом металла, а Mn+ — катион того же металла. На следующем рисунке показана иллюстрация выполняемых процессов.

То есть электроны «бегут» по кристаллу металла, отделяясь от одного атома металла, образуя из него катион, присоединяясь к другому катиону, образуя нейтральный атом. Это явление было названо «электронным ветром», а пул свободных электронов в кристалле атома неметалла — «электронным газом». Этот тип взаимодействия между атомами металла называется металлической связью.

Ковалентная связь

Однако исследования показывают, что не всегда происходит полный переход электронов от одного атома к другому. Очень часто химическая связь образуется не путем отдачи и получения электронов, а в результате образования общих электронных пар*. Такая связь называется ковалентной связью.

* Эти электронные пары возникают на пересечении электронных облаков.

Ковалентная связь образуется там, где перекрываются электронные облака* обоих атомов.

* Электронное облако — это область пространства, где наиболее вероятно обнаружение электрона.

Такая связь образуется, например, между атомами неметаллов. Возникает вопрос: каким образом область пересечения электронных облаков может связывать атомы вместе? Рассмотрим динамическую модель этого явления, т е процесса возникновения ковалентной связи. Предположим, что два атома сблизились на довольно близкое расстояние.

Спросить. Каковы силы между атомами?

Поскольку вокруг ядер атомов находятся отрицательно заряженные электроны, между атомами возникают силы отталкивания. Но если у атомов достаточно энергии, их электронные облака перекрываются (см рис. 17.).

В этой области пространства возникает избыток отрицательного заряда. А ядра атомов, как известно, имеют положительный заряд. Таким образом, ядра обоих атомов притягиваются общим отрицательным зарядом, возникшим из-за пересечения электронных облаков. Так:

• во-первых, область перекрытия электронных облаков представляет собой, по сути, химическую связь;
• во-вторых, чем больше площадь перекрывающихся электронных облаков, тем сильнее (при прочих равных условиях) будет эта связь.

В месте перекрытия электронных облаков образуются общие электронные пары. Рассмотрим, как возникает ковалентная связь в молекуле азота N2. Для этого рассмотрим строение атома азота:

Или: Н… 2с2 2п3

Спросить. Сколько электронов не хватает до завершения внешнего уровня?

Не хватает трех электронов. Поэтому, обозначив каждый электрон внешнего уровня точкой, получим:

Спросить. Почему три электрона обозначены отдельными точками?

Дело в том, что мы хотим показать образование общих пар электронов. Пара – это два электрона. Такое спаривание происходит, в частности, если каждый атом вносит один электрон в каждую пару (1 + 1 = 2). Атому азота не хватает трех электронов для завершения внешнего уровня. Это означает, что он должен «подготовить» три отдельных электрона к образованию будущих пар.

Получена электронная формула молекулы азота, с помощью которой показано, что:

• каждый атом азота теперь имеет восемь электронов (шесть из них обведены плюс 2 электрона от «собственной» неподеленной пары электронов);
• между атомами появилось 3 общие пары электронов (пересечение кружков).

Каждая пара общих электронов соответствует ковалентной связи. Сколько существует ковалентных связей? Три. Каждую связь (каждую общую пару электронов) будем обозначать дефисом (валентным штрихом):

Эта графическая формула показывает, что атом азота в молекуле N2 трехвалентен, так как валентность – это способность атома образовывать определенное количество ковалентных химических связей.

Может ли такая связь существовать между разными атомами? Может быть. Пусть атом азота взаимодействует с атомами водорода:

Строение атома водорода показывает, что этот атом имеет один электрон. Сколько таких атомов надо взять, чтобы атом азота «получил» три «нужных» электрона? Очевидно, три атома водорода (рис. 19).

Крест (x) обозначает электроны атома водорода. Электронная формула молекулы аммиака показывает, что атом азота имеет восемь электронов, а каждый атом водорода – два электрона (а на первом энергетическом уровне их быть не может).

Из графической формулы видно, что атом азота имеет валентность три (три линии или три штриха валентности), а каждый атом водорода имеет валентность единицу (по одной линии).

Это означает, что атом азота в этих молекулах (N2 и NH3) трехвалентен. Поскольку электронная пара может быть образована из неспаренных электронов обоих атомов, валентность атома часто соответствует числу неспаренных электронов. Например, в атоме азота 3 неспаренных электрона, поэтому валентность атома азота (в молекуле азота) равна III.

Казалось бы, атом азота не может иметь более высокой валентности, так как все неспаренные электроны участвуют в образовании химической связи. Но атом азота имел «лишнюю» неподеленную пару электронов, которая не участвовала в образовании ковалентной связи.

Если ковалентная связь образуется при участии атома, имеющего собственную пару электронов (2), то второй атом должен иметь свободную орбиталь (0):

При этом атом, имеющий электронную пару (донор), переносит ее на свободную орбиталь второго атома (акцептора). Рассмотрим механизм образования ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму:

В полученном катионе аммония валентность атома азота равна IV.

Отметим, что IV валентность атома азота является максимально возможной. Дело в том, что ковалентные связи образуются за счет пересечения электронных облаков. А сколько электронных облаков в атоме азота? Четыре (одно s-облако и три р-облака). Следовательно, образуются 4 ковалентные связи. И не более того!

Ковалентная связь может быть полярной или неполярной. Полярность ковалентной связи определяется электроотрицательностью образующих ее атомов. Электроотрицательность — это способность атома перемещать общую пару электронов на себя. Фтор имеет самую высокую электроотрицательность (EO) 4,1. При этом значение EO уменьшается в ряду:

Хотя молекулы N2 и NH3 содержат один и тот же атом азота, химические связи между атомами отличаются друг от друга. В молекуле азота N2 химические связи образуют одинаковые атомы, поэтому общие электронные пары находятся посередине между атомами. Атомы остаются нейтральными. Такая химическая связь называется неполярной.

В молекуле аммиака NH3 разные атомы образуют химическую связь. Поэтому один из атомов (в данном случае атом азота) сильнее притягивает к себе общую пару электронов, так как имеет более высокую ЭП. Общие пары электронов движутся к атому азота и на нем возникает небольшой отрицательный заряд, а на атоме водорода положительный заряд (рис. 21).

Полюсное взаимодействие

Когда соединение содержит металл и неметалл вместе, элементы образуют ионное соединение. Ковалентная полярность соединяет сеть атомов различных неметаллов друг с другом.

Это атомы:

• хлор и водород;
• фосфор и кислород;
• аммиак.

Существует и другое определение таких веществ. Это говорит о том, что между неметаллами возникает множественное образование цепей с разной скоростью появления электроотрицательности. В 2 случаях можно выделить разнообразие атомов, где отмечена эта связь.

Экспонированные соединения в нормальных условиях находятся в водном или газообразном агрегатном состоянии. Формулы Дж. Льюиса могут помочь понять структуру и насыщенность связей атомных ядер.

Действие получения ковалентности для атомов с разными значениями электроотрицательности объединяется, образуя совместную электрическую плотность состояния. Как правило, она смещается в сторону компонента, содержащего наибольшую степень электроотрицательности. Из-за возникающего смещения всей пары в сторону вещества с большим количеством электроотрицательности частично появляется отрицательный заряд. В результате происходит слияние 2-х полюсов с разным зарядом. Часто при формировании полярных связей используется акцепторный или донорно-акцепторный механизм.

Форма образования ковалентных связей:

• Акцептор (обмен). Каждый атом отдает 1 неспаренный электрон.
• Ковалентный донорно-акцепторный тип. Атом (донор) обеспечивает ему электрическую пару, а акцептор — орбиталь.

Устройство образования ковалентных связей описывается как конфигурация взаимодействия, характерная не для всех полярных соединений. Примерами являются вещества органического и неорганического происхождения.

Неполярная структура

Неполярная ковалентность связывает компоненты с неметаллическими свойствами, что также равно электроотрицательному значению. Другими словами, элементы без полярности подразумевают соединения, состоящие из различного количества подобных неметаллов. Формула вещества с неполярной ковалентной связью: N2.

Примером неполярной ковалентной связи считаются вещества с простым строением: О2, N2, Cl2. В состав этого типа взаимодействия и других неметаллических частей входят крайние электроны. Валентность относится к числу электронов, необходимых для завершения нормальной внешней оболочки. Атом обладает способностью создавать или принимать отрицательно заряженные частицы.

Эта работа относится к уровню цепочек двух электронов или двух центров. В этом случае пара электронов занимает общую часть между двумя орбиталями. В структурных формулах электронная пара записывается горизонтальной частью. Каждая связь показывает количество общих электронных пар в молекуле. Для разрушения этой связи потребуется наибольшее количество энергии, в результате чего эти вещества станут одними из самых мощных по шкале силы.

По донорно-акцепторному механизму неполярные части буквально не связаны. Неполярная ковалентная связь представляет собой структуру, состоящую из пар электронов вместе. Эти пары в равной степени принадлежат 2 атомам.

Единообразие неполярных и полярных ковалентных связей заключается в появлении абсолютной электрической плотности. Только в другом случае приобретаемые части электрического соединения в равной степени принадлежат 2 атомам, занимающим центральное состояние. В результате не образуются селективные положительные и отрицательные заряды, а значит, образующиеся цепи считаются неполярными.

Неполярность приводит к образованию совместной пары, в результате чего конечная степень атома будет полной. Качества этих веществ, имеющих определенную структуру, отличаются от веществ с металлическими или ионными взаимодействиями. В процессе ковалентного обмена между атомами любой из них является неспаренным электроном, образуя электрическую ковалентность. В этом случае они могут иметь обратные заряды.

Примером такой ковалентной связи могут быть взаимодействия, наблюдаемые в молекуле водорода. Когда атомы вещества притворяются, что действуют вместе, их электрические части соединяются. В результате увеличивается плотность между ядрами, они притягиваются друг к другу, а энергия системы миниатюризируется. Однако если ядра сблизить, они начинают отталкиваться друг от друга, и таким образом между ними возникает подходящее расстояние.

Что касается типа донорно-акцепторной ковалентности, то это происходит, когда одна из частиц, донор, принимает на связь свою электрическую пару, а вторая, акцепторная, считается свободной орбиталью.

Квалифицирование ковалентности

Смысл неполярной ковалентной связи таков: это взаимодействие, возникающее между подобными атомами. В молекулах с неполярной ковалентностью связанные пары электронов находятся на одинаковом расстоянии от ядер атомов. Например, в молекуле воздуха атомы имеют 8 электрических конфигураций, при этом у них 4 совместных электрических пары. Препараты с неполярной ковалентностью, как правило, включают относительно слабо легированные газы, воду или твердые вещества.

Чтобы правильно квалифицировать полярную и неполярную ковалентную связь, достаточно понимать свойство и формулу молекул, если они образованы атомами различных компонентов, то взаимодействие будет полярным, а если из 1-го, то станет неполярные. Следует также знать, что неполярные связи вообще могут возникать только между неметаллами, и это связано с механизмом ковалентных взаимодействий.

Как определить вид связи

В зависимости от веществ, которые в ней участвуют, если металл и неметалл, то связь ионная, если два металла, то металлическая, если два неметалла, то ковалентная.