Химическая связь. Типы и виды химической связи. Метод валентных схем. Метод молекулярных орбиталей.

Химическая связь - взаимодействие между атомами, приводящее к образованию молекул или ионов и прочному удерживанию атомов друг около друга. Химическая связь имеет электронную природу, она осуществляется за счёт взаимодействия валентных электронов. В зависимости от распределения валентных электронов в молекуле, различают следующие виды связей: ионная, ковалентная, металлическая.

Типы и виды химической связи: ионная связь, ковалентная НЕполярная связь: При взаимодействии атомов с одинаковой электроотрицательностью образуются молекулы с ковалентной неполярной связью. Такая связь существует в молекулах следующих простых веществ: H₂, O₂, N₂. Химические связи в этих газах образованы посредством общих электронных пар, т.е. при перекрывании соответствующих электронных облаков, обусловленном электронноядерным взаимодействием, которые осуществляет при сближении атомов. Составляя электронные формулы веществ, следует помнить, что каждая общая электронная пара – это условное изображение повышенной электронной плотности, возникающей в результате перекрывания соответствующих электронных облаков. Ковалентная полярная связь: При взаимодействии атомов, значение электроотрицательностей которых отличаются, но не резко, происходит смещение общей электронной пары к более электроотрицательному атому. Это наиболее распространенный тип химической связи, которой встречается как в неорганических, так и органических соединениях. К ковалентным связям в полной мере относятся и те связи, которые образованы по донорно-акцепторному механизму, например в ионах гидроксония и амония. Металлическая связь: Связь, которая образуется в результате взаимодействия относительно свободных электронов с ионами металлов, называются металлической связью. Этот тип связи характерен для металлов. Сущность процесса связи состоит в следующем: атомы металлов легко отдают валентные электроны и превращаются в положительные заряженные ионы. Относительно свободные электроны, оторвавшиеся от атома, перемещаются между положительными ионами металлов. Между ними возникает металлическая связь, электроны как бы цементируют положительные ионы кристаллической решетки металлов. Водородная связь: Связь, которая образуется между атомов водорода одной молекулы и атомом сильно электроотрицательного элемента (O, N, F) другой молекулы, называется водородной связью. Может возникнуть вопрос: почему именно водород образует такую специфическую химическую связь? Это объясняется тем, что атомный радиус водорода очень мал. Кроме того, при смещении или полной отдаче своего единственного электрона водород приобретает сравнительно высокий положительный заряд, за счет которого водород одной молекулы взаимодействует с атомами электроотрицательных элементов, имеющих частичный отрицательный заряд, выходящий в состав других молекул (HF, H₂O, NH₃).

Метод валентных связей предполагает, что каждая пара атомов в молекуле удерживается вместе при помощи одной или нескольких общих электронных пар. Поэтому химическая связь представляется двухэлектронной и двухцентровой, т.е. локализована между двумя атомами. В структурных формулах соединений обозначается черточкой: H-H, H-O-H. В основе метода валентных связей лежат следующие положения: Ковалентная химическая связь образуется двумя электронами с противоположно направленными спинами, причем эта электронная пара принадлежит двум атомам. Ковалентная связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака. Метод ВС основан на идее образования химической связи парой электронов, принадлежащей двум атомам.

Метод молекулярных орбиталей описывает энергетическое состояние валентных электронов в атоме. Согласно методу молекулярных орбиталей, электроны, образующие химическую связь, движутся в поле, образуемом ядрами всех атомов, составляющих молекулу, т.е. электроны принадлежат всем атомам молекулы. Следовательно, молекулярные орбитали являются в общем случае многоцентровыми. В двухатомных молекулах, порядок связи показывает насколько число связывающих электронных пар превышает число разрыхляющих электронных пар.

23. Ковалентная связь. Способы образования ковалентной связи. Полярность молекул. Геометрическая структура молекул. Примеры?

Ковалентная связь — это связь между атомами неметаллов, образованная за счёт общих электронных пар. Она образуется при взаимодействии неметаллов. Атомы неметаллов имеют высокую электроотрицательность и стремятся заполнить внешний электронный слой за счёт чужих электронов. Два таких атома могут перейти в устойчивое состояние, если объединят свои электроны. Рассмотрим возникновение ковалентной связи в простых веществах.

Например, образование молекулы водорода: Каждый атом водорода имеет один электрон. Для перехода в устойчивое состояние ему необходим ещё один электрон. При сближении двух атомов электронные облака перекрываются. Образуется общая электронная пара, которая связывает атомы водорода в молекулу. В пространстве между двумя ядрами общие электроны бывают чаще, чем в других местах. Там формируется область с повышенной электронной плотностью и отрицательным зарядом. Положительно заряженные ядра притягиваются к ней, и образуется молекула. При этом каждый атом получает завершённый двухэлектронный внешний уровень и переходит в устойчивое состояние. Ковалентная связь за счёт образования одной общей электронной пары называется одинарной. Общие электронные пары (ковалентные связи) образуются за счёт неспаренных электронов, расположенных на внешних энергетических уровнях взаимодействующих атомов.

Образование ковалентных связей показывают структурные (графические) формулы, в которых общая электронная пара обозначается чертой. Одна черта между атомами обозначает одинарную связь, две черты — двойную, три черты — тройную: H−H,O=O,N≡N.

Ионная связь. Поляризация ионов. Примеры?

Ионная связь образуется при взаимодействии атомов, которые резко отличаются друг от друга по электроотрицательности. Например, литий(Li), натрий(Na), калий(K), кальций (Ca), образуют ионную связь с типичными неметаллами, в основном с галогенами. Кроме галогенидов щелочных металлов, ионная связь образуется в таких соединениях, как щелочи и соли. Например, в гидроксиде натрия (NaOH) ионные связи существуют только между атомами натрия и кислорода (остальные связи – ковалентные полярные).

Поляризация ионов: Так как электронные плотности атомов и ионов простираются на значительные расстояния от ядер и имеют заметные значения за пределами их эффективных радиусов, то при образовании любой химической связи обязательно имеет место перекрывание облаков, то есть связь не может быть чисто ионной.

Каждый ион можно характеризовать его поляризующим действием, которое зависит от напряженности создаваемого им электрического поля, пропорционального отношению заряда к радиусу (q / r - ионный потенциал), и поляризуемостью, то есть способностью их к деформации ^_ a (измеряется в единицах объема х10^-24 см³). Качественные правила, характеризующие поляризацию ионов, сформулированы К. Фаянсом в 1923 г.

1. Поляризация тем больше, чем меньше размер катиона и больше его заряд, то есть чем больше ионный потенциал.

2. Поляризация тем больше, чем больше отрицательный заряд аниона и больше его радиус; многозарядные анионы по этой причине образуют только ковалентные соединения (P^3-, As^3-).

3. Поляризация катионов больше, если у них внешние электроны не имеют конфигурации благородного газа (s²р⁶), а имеют конфигурацию (n - 1)d ^x ns⁰ (где х от 1 до 10).

Водородная связь. Межмолекулярное взаимодействие. Примеры?

Водородная связь: в образовании связи принимает участие атом водорода. Водородные связи могут образовываться в тех случаях, когда атом водорода связан с электроотрицательным атомом, который смещает на себя электронное облако, создавая тем самым на водороде положительный заряд 6-К

Водородная связь — связь между положительно заряженным атомом водорода одной молекулы и отрицательно заряженным атомом другой молекулы. Водородная связь имеет частично электростатическую, частично донорно-акцепторную природу.

В качестве примера рассмотрим образование водородной связи между двумя молекулами воды. В Н₂0 связи О-Н имеют заметный полярный характер с частичным отрицательным зарядом б— на кислороде. Атом водорода, наоборот, приобретает небольшой положительный заряд 6+ и может взаимодействовать с не поделенными парами электронов атома кислорода соседней молекулы воды: Водородную связь обычно схематично изображают точками. Взаимодействие между молекулами воды оказывается достаточно сильным — даже в парах воды присутствуют димеры и тримеры состава (Н₂0)₂, (Н₂0)₃.

Металлическая связь. Примеры?

Металлическая связь: Связь, которая образуется в результате взаимодействия относительно свободных электронов с ионами металлов, называются металлической связью. Этот тип связи характерен для металлов. Сущность процесса связи состоит в следующем: атомы металлов легко отдают валентные электроны и превращаются в положительные заряженные ионы. Относительно свободные электроны, оторвавшиеся от атома, перемещаются между положительными ионами металлов. Между ними возникает металлическая связь, электроны как бы цементируют положительные ионы кристаллической решетки металлов.

Механизм металлической связи: Во всех узлах кристаллической решётки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа движутся валентные электроны, отцепившиеся от атомов при образовании ионов. Эти электроны играют роль цемента, удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решётка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть. Силы связи не локализованы и не направлены. Поэтому в большинстве случаев проявляются высокие координационные числа (например, 12 или 8). Когда два атома металла сближаются, орбитали их внешних оболочек перекрываются, образуя молекулярные орбитали. Если подходит третий атом, его орбиталь перекрывается с орбиталями первых двух атомов, что дает еще одну молекулярную орбиталь. Когда атомов много, возникает огромное число трехмерных молекулярных орбиталей, простирающихся во всех направлениях. Вследствие многократного перекрывания орбиталей валентные электроны каждого атома испытывают влияние многих атомов.