Ковалентна химична връзка, нейните разновидности и механизми на образуване. Характеристики на ковалентна връзка (полярност и енергия на връзката). Йонна връзка. Метална връзка. водородна връзка

Доктрината за химическата връзка е в основата на цялата теоретична химия.

Химичната връзка е такова взаимодействие на атоми, което ги свързва в молекули, йони, радикали, кристали.

Има четири вида химични връзки: йонни, ковалентни, метални и водородни.

Разделянето на химичните връзки на типове е условно, тъй като всички те се характеризират с определено единство.

Йонната връзка може да се разглежда като ограничаващ случай на ковалентна полярна връзка.

Металната връзка съчетава ковалентното взаимодействие на атомите с помощта на споделени електрони и електростатичното привличане между тези електрони и металните йони.

При веществата често няма ограничаващи случаи на химическо свързване (или чисти химически връзки).

Например, литиевият флуорид $LiF$ е класифициран като йонно съединение. Всъщност връзката в него е $80%$ йонна и $20%$ ковалентна. Следователно очевидно е по-правилно да се говори за степента на полярност (йонност) на химичната връзка.

В серията от халогеноводороди $HF—HCl—HBr—HI—HAt$ степента на полярността на връзката намалява, тъй като разликата в стойностите на електроотрицателността на халогенните и водородните атоми намалява, а в астата връзката става почти неполярен $(EO(H) = 2,1; EO(At) = 2,2)$.

В едни и същи вещества могат да се съдържат различни видове връзки, например:

1. в основи: между кислородните и водородните атоми в хидроксогрупите връзката е полярна ковалентна, а между метала и хидроксо групата е йонна;
2. в соли на кислород-съдържащи киселини: между неметалния атом и кислорода на киселинния остатък - ковалентен полярен, и между метала и киселинния остатък - йонен;
3. в соли на амоний, метиламониев и др.: между азотни и водородни атоми - ковалентно полярни, а между амониеви или метиламониевите йони и киселинен остатък - йонни;
4. в металните пероксиди (например $Na_2O_2$) връзката между кислородните атоми е ковалентна неполярна, а между метала и кислорода е йонна и т.н.

Различните видове връзки могат да преминават една в друга:

- при електролитна дисоциация във вода на ковалентни съединения ковалентна полярна връзка преминава в йонна;

- при изпаряването на металите металната връзка се превръща в ковалентна неполярна и т.н.

Причината за единството на всички видове и видове химични връзки е тяхната идентичност химическа природа— електронно-ядрено взаимодействие. Образуването на химическа връзка във всеки случай е резултат от електронно-ядрено взаимодействие на атоми, придружено от освобождаване на енергия.

Методи за образуване на ковалентна връзка. Характеристики на ковалентна връзка: дължина и енергия на връзката

Ковалентна химична връзка е връзка, която възниква между атоми поради образуването на общи електронни двойки.

Механизмът на образуване на такава връзка може да бъде обменен и донор-акцептор.

аз обменен механизъмдейства, когато атомите образуват общи електронни двойки чрез комбиниране на несдвоени електрони.

1) $H_2$ - водород:

Връзката възниква поради образуването на обща електронна двойка от $s$-електрони на водородни атоми (припокриващи се $s$-орбитали):

2) $HCl$ - хлороводород:

Връзката възниква поради образуването на обща електронна двойка от $s-$ и $p-$ електрони (припокриващи се $s-p-$орбитали):

3) $Cl_2$: в хлорна молекула се образува ковалентна връзка поради несдвоени $p-$електрони (припокриващи се $p-p-$орбитали):

4) $N_2$: три общи електронни двойки се образуват между атоми в азотна молекула:

II. Донорно-акцепторен механизъмНека разгледаме образуването на ковалентна връзка, използвайки примера на амониевия йон $NH_4^+$.

Донорът има електронна двойка, акцепторът има празна орбитала, която тази двойка може да заема. В амониевия йон всичките четири връзки с водородни атоми са ковалентни: три са образувани поради създаването на общи електронни двойки от азотния атом и водородни атоми чрез обменния механизъм, една - от донорно-акцепторния механизъм.

Ковалентните връзки могат да се класифицират по начина, по който електронните орбитали се припокриват, както и по тяхното изместване към един от свързаните атоми.

Химическите връзки, образувани в резултат на припокриването на електронни орбитали по линията на връзката, се наричат ​​$σ$ -облигации (сигма-облигации). Сигма връзката е много силна.

$p-$орбиталите могат да се припокриват в две области, образувайки ковалентна връзка чрез странично припокриване:

Химическите връзки, образувани в резултат на "страничното" припокриване на електронни орбитали извън комуникационната линия, т.е. в два региона се наричат ​​$π$ -връзки (пи-връзки).

от степен на пристрастиеобщи електронни двойки към един от атомите, които свързват, може да бъде ковалентна връзка полярнии неполярни.

Ковалентна химична връзка, образувана между атоми със същата електроотрицателност, се нарича неполярни.Електронните двойки не се изместват към нито един от атомите, т.к атомите имат една и съща ER - свойството да изтеглят валентни електрони към себе си от други атоми. Например:

тези. чрез ковалентна неполярна връзка се образуват молекули от прости неметални вещества. Нарича се ковалентна химична връзка между атоми на елементи, чиято електроотрицателност е различна полярни.

Дължината и енергията на ковалентна връзка.

Характеристика свойства на ковалентна връзкае неговата дължина и енергия. Дължина на връзкатае разстоянието между ядрата на атомите. Химичната връзка е по-силна, колкото по-къса е нейната дължина. Въпреки това, мярката за сила на връзката е Свързваща енергия, което се определя от количеството енергия, необходимо за прекъсване на връзката. Обикновено се измерва в kJ/mol. По този начин, според експериментални данни, дължините на връзките на $H_2, Cl_2$ и $N_2$ молекулите са съответно $0,074, 0,198$ и $0,109$ nm, а енергията на свързване е $436, 242$ и $946$ kJ/ mol, съответно.

йони. Йонна връзка

Представете си, че два атома се "срещат": метален атом от група I и неметален атом от група VII. Металният атом има един електрон във външното си енергийно ниво, докато на неметалния атом му липсва само един електрон, за да завърши външното си ниво.

Първият атом лесно ще даде на втория своя електрон, който е далеч от ядрото и слабо свързан с него, а вторият ще му даде свободно мястона външното му електронно ниво.

Тогава един атом, лишен от един от отрицателните си заряди, ще се превърне в положително заредена частица, а вторият ще се превърне в отрицателно заредена частица поради получения електрон. Такива частици се наричат йони.

Химическата връзка, която възниква между йони, се нарича йонна.

Помислете за образуването на тази връзка, като използвате добре известното съединение на натриев хлорид (готварска сол) като пример:

Процесът на трансформация на атомите в йони е показан на диаграмата:

Такава трансформация на атомите в йони винаги се случва по време на взаимодействието на атоми на типични метали и типични неметали.

Помислете за алгоритъма (последователността) на разсъждението, когато записвате образуването на йонна връзка, например между калциевите и хлорните атоми:

Наричат ​​се числа, показващи броя на атомите или молекулите коефициенти, а числата, показващи броя на атомите или йоните в една молекула, се наричат индекси.

метална връзка

Нека се запознаем с това как атомите на металните елементи взаимодействат един с друг. Металите обикновено не съществуват като изолирани атоми, а под формата на буца, слитък или метален продукт. Какво държи металните атоми заедно?

Атомите на повечето метали на външно ниво съдържат малък брой електрони - $1, 2, 3$. Тези електрони лесно се отделят и атомите се превръщат в положителни йони. Отделените електрони се движат от един йон към друг, свързвайки ги в едно цяло. Свързвайки се с йони, тези електрони временно образуват атоми, след което отново се прекъсват и се комбинират с друг йон и т.н. Следователно в обема на метала атомите непрекъснато се превръщат в йони и обратно.

Връзката в металите между йони посредством социализирани електрони се нарича метална.

Фигурата показва схематично структурата на фрагмент от натриев метал.

В този случай малък брой социализирани електрони свързва голям брой йони и атоми.

Металната връзка има известна прилика с ковалентната връзка, тъй като се основава на споделянето на външни електрони. Въпреки това, при ковалентна връзка външните несдвоени електрони само на два съседни атома се социализират, докато при метална връзка всички атоми участват в социализацията на тези електрони. Ето защо кристалите с ковалентна връзка са крехки, докато тези с метална връзка по правило са пластмасови, електропроводими и имат метален блясък.

Металната връзка е характерна както за чисти метали, така и за смеси от различни метали – сплави, които са в твърдо и течно състояние.

водородна връзка

Химична връзка между положително поляризирани водородни атоми на една молекула (или част от нея) и отрицателно поляризирани атоми на силно електроотрицателни елементи, имащи несподелени електронни двойки ($F, O, N$ и по-рядко $S$ и $Cl$), друга молекулата (или нейните части) се нарича водород.

Механизмът на образуване на водородна връзка е отчасти електростатичен, отчасти донорно-акцепторен.

Примери за междумолекулни водородни връзки:

При наличие на такава връзка дори вещества с ниско молекулно тегло при нормални условия могат да бъдат течности (алкохол, вода) или лесно втечняващи се газове (амоняк, флуороводород).

Веществата с водородна връзка имат молекулярни кристални решетки.

Вещества с молекулярна и немолекулна структура. Тип кристална решетка. Зависимостта на свойствата на веществата от техния състав и структура

Молекулна и немолекулна структура на веществата

Не отделни атоми или молекули влизат в химични взаимодействия, а вещества. Вещество при дадени условия може да бъде в едно от трите агрегатни състояния: твърдо, течно или газообразно. Свойствата на дадено вещество зависят и от естеството на химичната връзка между частиците, които го образуват – молекули, атоми или йони. Според вида на връзката се разграничават вещества с молекулярна и немолекулна структура.

Веществата, съставени от молекули, се наричат молекулярни вещества. Връзките между молекулите в такива вещества са много слаби, много по-слаби, отколкото между атомите вътре в молекула и вече при относително ниски температури се разрушават - веществото се превръща в течност и след това в газ (сублимация на йод). Точките на топене и кипене на веществата, състоящи се от молекули, се увеличават с увеличаване на молекулното тегло.

Молекулните вещества включват вещества с атомна структура ($C, Si, Li, Na, K, Cu, Fe, W$), сред тях има метали и неметали.

Обмисли физични свойстваалкални метали. Сравнително ниската якост на връзката между атомите причинява ниска механична якост: алкалните метали са меки и могат лесно да се режат с нож.

Големите размери на атомите водят до ниска плътност на алкалните метали: литият, натрият и калият са дори по-леки от водата. В групата на алкалните метали точките на кипене и топене намаляват с увеличаване на поредния номер на елемента, т.к. размерът на атомите се увеличава и връзките отслабват.

Към веществата немолекулниструктурите включват йонни съединения. Повечето съединения на метали с неметали имат тази структура: всички соли ($NaCl, K_2SO_4$), някои хидриди ($LiH$) и оксиди ($CaO, MgO, FeO$), основи ($NaOH, KOH$). Йонните (немолекулни) вещества имат високи точки на топене и кипене.

Кристални решетки

Вещество, както е известно, може да съществува в три агрегатни състояния: газообразно, течно и твърдо.

Твърди вещества: аморфни и кристални.

Помислете как характеристиките на химичните връзки влияят върху свойствата на твърдите вещества. Твърдите вещества се разделят на кристалнаи аморфен.

Аморфните вещества нямат ясна точка на топене - при нагряване те постепенно омекват и стават течни. В аморфно състояние например са пластилинът и различни смоли.

Кристалните вещества се характеризират с правилното подреждане на частиците, от които са съставени: атоми, молекули и йони – в строго определени точки от пространството. Когато тези точки са свързани с прави линии, се образува пространствена рамка, наречена кристална решетка. Точките, в които се намират кристалните частици, се наричат ​​решетъчни възли.

В зависимост от вида на частиците, разположени във възлите на кристалната решетка, и естеството на връзката между тях, се разграничават четири вида кристални решетки: йонна, атомна, молекулярнаи метални.

Йонни кристални решетки.

йоннанаречени кристални решетки, в чиито възли има йони. Те се образуват от вещества с йонна връзка, които могат да свързват както прости йони $Na^(+), Cl^(-)$, така и сложни $SO_4^(2−), OH^-$. Следователно солите, някои оксиди и хидроксиди на металите имат йонни кристални решетки. Например, кристал на натриев хлорид се състои от редуващи се положителни йони $Na^+$ и отрицателни йони $Cl^-$, образуващи решетка с форма на куб. Връзките между йоните в такъв кристал са много стабилни. Следователно веществата с йонна решетка се характеризират с относително висока твърдост и якост, те са огнеупорни и нелетливи.

Атомни кристални решетки.

ядреннаречени кристални решетки, в чиито възли има отделни атоми. В такива решетки атомите са свързани помежду си чрез много силни ковалентни връзки. Пример за вещества с този тип кристална решетка е диамантът, една от алотропните модификации на въглерода.

Повечето вещества с атомна кристална решетка имат много високи точки на топене (например за диаманта е над $3500°C$), те са здрави и твърди, практически неразтворими.

Молекулни кристални решетки.

Молекулярнанаречени кристални решетки, в чиито възли са разположени молекули. Химическите връзки в тези молекули могат да бъдат или полярни ($HCl, H_2O$), или неполярни ($N_2, O_2$). Въпреки факта, че атомите в молекулите са свързани с много силни ковалентни връзки, между самите молекули има слаби сили на междумолекулно привличане. Следователно веществата с молекулярни кристални решетки имат ниска твърдост, ниски температуритопене, летене. Повечето твърди органични съединения имат молекулярни кристални решетки (нафталин, глюкоза, захар).

Метални кристални решетки.

Веществата с метална връзка имат метални кристални решетки. В възлите на такива решетки има атоми и йони (или атоми, или йони, в които металните атоми лесно се превръщат, давайки външните си електрони „за обща употреба“). Такава вътрешна структура на металите определя техните характерни физични свойства: ковкост, пластичност, електрическа и топлопроводимост и характерен метален блясък.

Концепцията за химическа връзка е от немалко значение в различни области на химията като наука. Това се дължи на факта, че именно с негова помощ отделните атоми могат да се комбинират в молекули, образувайки всякакви вещества, които от своя страна са обект на химични изследвания.

Разнообразието от атоми и молекули е свързано с появата на различни видове връзки между тях. Различните класове молекули се характеризират със свои собствени характеристики на разпределението на електроните, а оттам и със собствени видове връзки.

Основни понятия

химическа връзканаречен набор от взаимодействия, които водят до свързване на атоми с образуването на стабилни частици повече от сложна структура(молекули, йони, радикали), както и агрегати (кристали, стъкла и др.). Природата на тези взаимодействия е електрическа по природа и възникват по време на разпределението на валентните електрони в приближаващите се атоми.

Валентност приетаназовете способността на атома да образува определен брой връзки с други атоми. В йонните съединения броят на дадените или прикачените електрони се приема като стойност на валентността. В ковалентните съединения той е равен на броя на общите електронни двойки.

Под степента на окисление се разбира като условназарядът, който би могъл да бъде върху атом, ако всички полярни ковалентни връзки са йонни.

Множеството на връзката се наричаброят на споделените електронни двойки между разглежданите атоми.

Връзките, разглеждани в различни раздели на химията, могат да бъдат разделени на два вида химични връзки: тези, които водят до образуването на нови вещества (вътремолекулни) , итези, които възникват между молекули (междумолекулни).

Основни комуникационни характеристики

Чрез енергията на връзкатае енергията, необходима за разрушаване на всички връзки в една молекула. Това е и енергията, освободена по време на образуването на връзка.

Дължина на комуникациянарича се такова разстояние между съседни ядра на атоми в молекула, при което силите на привличане и отблъскване са балансирани.

Тези две характеристики на химическата връзка на атомите са мярка за нейната сила: колкото по-къса е дължината и колкото по-голяма е енергията, толкова по-силна е връзката.

Валентен ъгълОбичайно е да се нарича ъгълът между представените линии, преминаващи по посока на връзката през ядрата на атомите.

Методи за описание на връзката

Двата най-често срещани подхода за обяснение на химическата връзка, заимствани от квантовата механика:

Метод на молекулярни орбитали.Той разглежда молекулата като съвкупност от електрони и атомни ядра, като всеки отделен електрон се движи в полето на действие на всички други електрони и ядра. Молекулата има орбитална структура и всичките й електрони са разпределени по тези орбити. Също така този метод се нарича MO LCAO, което означава "молекулярна орбитала - линейна комбинация

Методът на валентните връзки.Представлява молекула като система от две централни молекулярни орбитали. Освен това всеки от тях съответства на една връзка между два съседни атома в молекулата. Методът се основава на следните разпоредби:

1. Образуването на химическа връзка се осъществява от двойка електрони с противоположни спинове, които са разположени между двата разглеждани атома. Образуваната електронна двойка принадлежи на два атома еднакво.
2. Броят на връзките, образувани от един или друг атом, е равен на броя на несдвоените електрони в основното и възбудено състояние.
3. Ако електронните двойки не участват в образуването на връзка, тогава те се наричат ​​самотни двойки.

Електроотрицателност

Видът на химичната връзка в веществата може да се определи въз основа на разликата в стойностите на електроотрицателността на съставните му атоми. Под електроотрицателностразбират способността на атомите да привличат общи електронни двойки (електронен облак), което води до поляризация на връзката.

Има различни начини за определяне на стойностите на електроотрицателността химични елементи. Най-използваната обаче е скалата, базирана на термодинамични данни, която е предложена още през 1932 г. от Л. Полинг.

Колкото по-голяма е разликата в електроотрицателността на атомите, толкова по-изразена е нейната йонност. Напротив, равни или близки стойности на електроотрицателност показват ковалентната природа на връзката. С други думи, възможно е да се определи математически коя химическа връзка се наблюдава в определена молекула. За да направите това, трябва да изчислите ΔX - разликата в електроотрицателността на атомите по формулата: ΔX=|X 1 -Х 2 |.

• Ако ΔX>1,7,тогава връзката е йонна.
• Ако 0,5≤ΔХ≤1,7,ковалентната връзка е полярна.
• Ако ΔX=0или близо до него, тогава връзката е ковалентна неполярна.

Йонна връзка

Йонна връзка е такава връзка, която се появява между йони или поради пълното изтегляне на обща електронна двойка от един от атомите. В веществата този вид химическо свързване се осъществява от силите на електростатично привличане.

Йоните са заредени частици, образувани от атоми в резултат на добавяне или освобождаване на електрони. Когато един атом приема електрони, той придобива отрицателен заряд и се превръща в анион. Ако един атом отдаде валентни електрони, той се превръща в положително заредена частица, наречена катион.

Характерно е за съединенията, образувани при взаимодействието на атоми на типични метали с атоми на типични неметали. Основното в този процес е стремежът на атомите да придобият стабилни електронни конфигурации. И за това типичните метали и неметали трябва да дават или приемат само 1-2 електрона, което правят с лекота.

Механизмът на образуване на йонна химична връзка в молекула традиционно се разглежда на примера на взаимодействието на натрий и хлор. Атомите на алкални метали лесно даряват електрон, изтеглен от халогенен атом. В резултат на това се образуват Na + катион и Cl - анион, които се задържат заедно чрез електростатично привличане.

Няма идеална йонна връзка. Дори в такива съединения, които често се наричат ​​йонни, окончателното прехвърляне на електрони от атом към атом не се случва. Образуваната електронна двойка все още остава вътре обща употреба. Следователно те говорят за степента на йонност на ковалентна връзка.

Йонната връзка се характеризира с две основни свойства, свързани едно с друго:

• ненасоченост, т.е. електрическото поле около йона има формата на сфера;
• ненаситеност, т.е. броят на противоположно заредените йони, които могат да бъдат поставени около всеки йон, се определя от техния размер.

ковалентна химична връзка

Връзката, образувана при припокриване на електронните облаци от неметални атоми, тоест осъществявана от обща електронна двойка, се нарича ковалентна връзка. Броят на споделените двойки електрони определя кратността на връзката. И така, водородните атоми са свързани с единична H··H връзка, а кислородните атоми образуват двойна връзка O::O.

Има два механизма за неговото формиране:

• Обмен - всеки атом представлява за образуване на обща двойка от един електрон: A + B = A: B, докато връзката включва външни атомни орбитали, на които е разположен един електрон.
• Донор-акцептор - за образуване на връзка един от атомите (донор) осигурява двойка електрони, а вторият (акцептор) осигурява свободна орбитала за поставянето му: A +: B = A: B.

Начините, по които електронните облаци се припокриват по време на образуването на ковалентна химическа връзка, също са различни.

1. Директен. Областта на припокриване на облака лежи върху права въображаема линия, свързваща ядрата на разглежданите атоми. В този случай се образуват σ-връзки. Видът на химичната връзка, която възниква в този случай, зависи от вида на електронните облаци, подложени на припокриване: s-s, s-p, p-p, s-d или p-d σ-връзки. В частица (молекула или йон) може да възникне само една σ-връзка между два съседни атома.
2. Странична. Извършва се от двете страни на линията, свързваща ядрата на атомите. Така се образува π-връзка, като са възможни и нейни разновидности: p-p, p-d, d-d. Отделно от σ-връзката, π-връзката никога не се образува; тя може да бъде в молекули, съдържащи множество (двойни и тройни) връзки.

Свойства на ковалентна връзка

Те определят химичното и физически характеристикивръзки. Основните свойства на всяка химическа връзка в веществата са нейната насоченост, полярност и поляризуемост, както и наситеност.

Ориентациявръзките се дължат на особеностите на молекулярната структура на веществата и геометричната форма на техните молекули. Същността му се крие във факта, че най-доброто припокриване на електронните облаци е възможно с определена ориентация в пространството. Вариантите за образуване на σ- и π-връзки вече бяха разгледани по-горе.

Под ситостразбират способността на атомите да образуват определен брой химични връзки в една молекула. Броят на ковалентните връзки за всеки атом е ограничен от броя на външните орбитали.

полярноствръзката зависи от разликата в стойностите на електроотрицателността на атомите. Той определя равномерността на разпределението на електроните между ядрата на атомите. Ковалентната връзка на тази основа може да бъде полярна или неполярна.

• Ако обща електронна двойка принадлежи еднакво на всеки от атомите и се намира на същото разстояние от техните ядра, тогава ковалентната връзка е неполярна.
• Ако общата двойка електрони се измести към ядрото на един от атомите, тогава се образува ковалентна полярна химична връзка.

Поляризациясе изразява чрез изместване на електроните на връзката под действието на външно електрическо поле, което може да принадлежи на друга частица, съседни връзки в същата молекула или да идва от външни източници на електромагнитни полета. Така ковалентна връзка под тяхно влияние може да промени полярността си.

Хибридизацията на орбиталите се разбира като промяна на техните форми по време на осъществяването на химическа връзка. Това е необходимо, за да се постигне най-ефективно припокриване. Съществува следните видовехибридизация:

• sp3. Една s- и три p-орбитали образуват четири "хибридни" орбитали с еднаква форма. Външно той прилича на тетраедър с ъгъл между осите от 109 °.
• sp2. Една s- и две p-орбитали образуват плосък триъгълник с ъгъл между осите 120°.
• sp. Една s- и една p-орбитала образуват две "хибридни" орбитали с ъгъл между осите им от 180°.

Характеристика на структурата на металните атоми е доста голям радиус и присъствие малка сумаелектрони във външни орбитали. В резултат на това в такива химични елементи връзката между ядрото и валентните електрони е относително слаба и лесно се разрушава.

металнивръзка е такова взаимодействие между метални атоми-йони, което се осъществява с помощта на делокализирани електрони.

В металните частици валентните електрони могат лесно да напуснат външните орбитали, както и да заемат свободни места върху тях. Така в различно време една и съща частица може да бъде атом и йон. Откъснатите от тях електрони се движат свободно в целия обем на кристалната решетка и осъществяват химическа връзка.

Този тип връзка има прилики с йонни и ковалентни връзки. Както и за йонните, йони са необходими за съществуването на метална връзка. Но ако за осъществяване на електростатично взаимодействие в първия случай са необходими катиони и аниони, то във втория ролята на отрицателно заредените частици се играе от електроните. Ако сравним метална връзка с ковалентна връзка, тогава образуването на двете изисква общи електрони. Въпреки това, за разлика от полярната химическа връзка, те не са локализирани между два атома, а принадлежат към всички метални частици в кристалната решетка.

Металната връзка е отговорна за специалните свойства на почти всички метали:

• пластичност, налична поради възможността за изместване на слоеве от атоми в кристалната решетка, задържана от електронен газ;
• метален блясък, който се наблюдава поради отразяването на светлинни лъчи от електрони (в прахообразно състояние няма кристална решетка и следователно електрони, движещи се по нея);
• електрическа проводимост, която се осъществява от поток от заредени частици и в този случай малките електрони се движат свободно между големи метални йони;
• топлопроводимостта се наблюдава поради способността на електроните да пренасят топлина.

Този тип химична връзка понякога се нарича междинно между ковалентните и междумолекулните взаимодействия. Ако водороден атом има връзка с един от силно електроотрицателните елементи (като фосфор, кислород, хлор, азот), тогава той е в състояние да образува допълнителна връзка, наречена водород.

Той е много по-слаб от всички видове връзки, разгледани по-горе (енергията е не повече от 40 kJ/mol), но не може да бъде пренебрегната. Ето защо водородната химическа връзка на диаграмата изглежда като пунктирана линия.

Появата на водородна връзка е възможна поради едновременното електростатично взаимодействие донор-акцептор. Голяма разлика в стойностите на електроотрицателността води до появата на излишна електронна плътност върху атомите O, N, F и други, както и липсата й върху водородния атом. В случай, че няма съществуваща химическа връзка между такива атоми, привличащите сили се активират, ако са достатъчно близки. В този случай протонът е акцептор на електронна двойка, а вторият атом е донор.

Водородна връзка може да възникне както между съседни молекули, например вода, карбоксилни киселини, алкохоли, амоняк, така и в рамките на една молекула, например салицилова киселина.

Наличието на водородна връзка между водните молекули обяснява редица уникални физични свойства:

• Стойностите на неговия топлинен капацитет, диелектрична константа, точки на кипене и топене, в съответствие с изчисленията, трябва да бъдат много по-ниски от реалните, което се обяснява със свързването на молекулите и необходимостта от изразходване на енергия за разрушаване на междумолекулния водород облигации.
• За разлика от други вещества, с понижаване на температурата обемът на водата се увеличава. Това се дължи на факта, че молекулите заемат определена позиция в кристалната структура на леда и се отдалечават една от друга с дължината на водородната връзка.

Тази връзка играе специална роля за живите организми, тъй като нейното присъствие в протеиновите молекули определя тяхната специална структура, а оттам и техните свойства. Освен това, нуклеинова киселина, съставляващи двойната спирала на ДНК, също са свързани точно с водородни връзки.

Връзки в кристали

По-голямата част от твърдите тела имат кристална решетка - специална взаимно урежданечастиците, които ги образуват. В този случай се наблюдава триизмерна периодичност, а атоми, молекули или йони са разположени във възлите, които са свързани с въображаеми линии. В зависимост от естеството на тези частици и връзките между тях, всички кристални структури се делят на атомни, молекулярни, йонни и метални.

В възлите на йонната кристална решетка има катиони и аниони. Освен това всеки от тях е заобиколен от строго определен брой йони само с противоположен заряд. Типичен пример е натриевият хлорид (NaCl). Те са склонни да имат високи точки на топене и твърдост, тъй като изискват много енергия за разграждане.

В възлите на молекулярната кристална решетка има молекули от вещества, образувани от ковалентна връзка (например I 2). Те са свързани помежду си чрез слабо взаимодействие на Ван дер Ваалс и следователно такава структура е лесна за унищожаване. Такива съединения имат ниски точки на кипене и топене.

Атомната кристална решетка се образува от атоми на химични елементи с високи стойности на валентност. Те са свързани чрез силни ковалентни връзки, което означава, че веществата се различават високи температурикипене, топене и голяма твърдост. Пример е диамант.

По този начин всички видове връзки, присъстващи в химичните вещества, имат свои собствени характеристики, които обясняват тънкостите на взаимодействието на частиците в молекулите и веществата. Свойствата на съединенията зависят от тях. Те определят всички процеси, протичащи в околната среда.

Химическата връзка, нейните видове, свойства, заедно с това е един от крайъгълните камъни на една интересна наука, наречена химия. В тази статия ще анализираме всички аспекти на химичните връзки, тяхното значение в науката, ще дадем примери и много други.

Какво е химическа връзка

В химията химичната връзка се разбира като взаимното сцепление на атомите в молекула и в резултат на силата на привличане, която съществува между тях. Благодарение на химичните връзки се образуват различни химични съединения, това е природата на химическата връзка.

Видове химични връзки

Механизмът на образуване на химическа връзка силно зависи от нейния тип или вид; като цяло се различават следните основни видове химична връзка:

• Ковалентна химична връзка (която от своя страна може да бъде полярна или неполярна)
• Йонна връзка
• Връзка
• химическа връзка

подобни хора.

Що се отнася до това, на нашия уебсайт е посветена отделна статия и можете да прочетете по-подробно на връзката. По-нататък ще анализираме по-подробно всички други основни видове химически връзки.

Йонна химическа връзка

Образуването на йонна химична връзка възниква, когато два йона с различни заряди се привличат електрически един към друг. Йоните обикновено с такива химични връзки са прости, състоящи се от един атом на веществото.

Диаграма на йонна химическа връзка.

Характерна особеност на йонния тип на химическата връзка е липсата на насищане и в резултат на това много различен брой противоположно заредени йони могат да се присъединят към йон или дори към цяла група йони. Пример за йонна химична връзка е съединението на цезиевия флуорид CsF, в което нивото на "йонност" е почти 97%.

Водородна химична връзка

Много преди идването съвременна теорияхимически връзки в него съвременна формаучените химици са забелязали, че водородните съединения с неметали имат различни невероятни свойства. Да кажем, че точката на кипене на водата и заедно с флуороводорода е много по-висока, отколкото би могла да бъде, ето един готов пример за водородна химическа връзка.

На снимката е показана диаграма на образуването на водородна химична връзка.

Естеството и свойствата на водородната химична връзка се дължат на способността на водородния атом Н да образува друга химична връзка, откъдето идва и името на тази връзка. Причината за образуването на такава връзка са свойствата на електростатичните сили. Например, общият електронен облак в молекула на флуороводород е толкова изместен към флуор, че пространството около атом на това вещество е наситено с отрицателно електрическо поле. Около водородния атом, особено лишен от единствения си електрон, всичко е точно обратното, електронното му поле е много по-слабо и в резултат на това има положителен заряд. И положителните и отрицателните заряди, както знаете, се привличат, по такъв прост начин възниква водородна връзка.

Химическо свързване на метали

Каква химична връзка е типична за металите? Тези вещества имат свой собствен тип химическа връзка - атомите на всички метали не са подредени по някакъв начин, а по определен начин, редът на тяхното подреждане се нарича кристална решетка. Електроните на различни атоми образуват общ електронен облак, докато слабо взаимодействат един с друг.

Ето как изглежда металната химическа връзка.

Всеки метал може да служи като пример за метална химическа връзка: натрий, желязо, цинк и т.н.

Как да определим вида на химическата връзка

В зависимост от веществата, които участват в него, ако е метал и неметал, тогава връзката е йонна, ако два метала, значи е метална, ако два неметала, тогава е ковалентна.

Свойства на химичните връзки

За да се сравняват различни химична реакцияизползвани са различни количествени характеристики, като:

• дължина,
• енергия,
• полярност,
• реда на връзките.

Нека ги анализираме по-подробно.

Дължината на връзката е равновесното разстояние между ядрата на атомите, които са свързани чрез химическа връзка. Обикновено се измерва експериментално.

Енергията на химическата връзка определя нейната сила. В този случай енергията се отнася до силата, необходима за прекъсване на химическа връзка и отделяне на атоми.

Полярността на химичната връзка показва колко е изместена електронната плътност към един от атомите. Способността на атомите да изместват своята електронна плътност към себе си или говорене прост езикДръпването на одеялото върху себе си се нарича електроотрицателност в химията.

Всяко взаимодействие между атомите е възможно само при наличие на химическа връзка. Такава връзка е причината за образуването на стабилна многоатомна система - молекулен йон, молекула, кристална решетка. Силната химическа връзка изисква много енергия за разрушаване, поради което тя е основната стойност за измерване на силата на връзката.

Условия за образуване на химична връзка

Образуването на химическа връзка винаги е придружено от освобождаване на енергия. Този процес възниква поради намаляване на потенциалната енергия на система от взаимодействащи частици - молекули, йони, атоми. Потенциалната енергия на получената система от взаимодействащи елементи винаги е по-малка от енергията на несвързаните изходящи частици. По този начин основата за възникването на химическа връзка в системата е спадът на потенциалната енергия на нейните елементи.

Естеството на химичното взаимодействие

Химичната връзка е следствие от взаимодействието на електромагнитни полета, които възникват около електроните и ядрата на атомите на тези вещества, които участват в образуването на нова молекула или кристал. След откриването на теорията за структурата на атома, естеството на това взаимодействие стана по-достъпно за изследване.

За първи път идеята за електрическата природа на химическата връзка възниква от английския физик Г. Дейви, който предполага, че молекулите се образуват поради електрическото привличане на противоположно заредени частици. Тази идея заинтересува шведския химик и натуралист И.Я. Берцелиус, който разработва електрохимичната теория за образуването на химическа връзка.

Първата теория, която обясняваше процесите на химично взаимодействие на веществата, беше несъвършена и с течение на времето трябваше да бъде изоставена.

Теорията на Бутлеров

По-успешен опит да се обясни естеството на химическата връзка на веществата е направен от руския учен А. М. Бутлеров. Този учен основава теорията си на следните предположения:

• Атомите в свързано състояние са свързани помежду си в определен ред. Промяната в този ред води до образуването на ново вещество.
• Атомите се свързват един с друг според законите на валентността.
• Свойствата на веществото зависят от реда на свързване на атомите в молекулата на веществото. Различното подреждане причинява промяна в химичните свойства на веществото.
• Атомите, свързани заедно, имат най-силно влияние един върху друг.

Теорията на Бутлеров обяснява свойствата на химичните вещества не само с техния състав, но и с подреждането на атомите. Такава вътрешна заповед на А.М. Бутлеров нарича "химическа структура".

Теорията на руския учен направи възможно да се подредят нещата в класификацията на веществата и направи възможно да се определи структурата на молекулите по техните химични свойства. Теорията даде отговор и на въпроса: защо молекулите, съдържащи еднакъв брой атоми, имат различни химични свойства.

Предпоставки за създаване на теории за химични връзки

В своята теория за химическата структура Бутлеров не засегна въпроса какво е химическа връзка. По това време имаше твърде малко данни за това. вътрешна структуравещества. Едва след откриването на планетарния модел на атома, американският учен Луис започва да развива хипотеза, че химическата връзка възниква чрез образуването на електронна двойка, която едновременно принадлежи на два атома. Впоследствие тази идея стана основата за развитието на теорията за ковалентните връзки.

ковалентна химична връзка

Стабилно химично съединение може да се образува, когато електронните облаци на два съседни атома се припокриват. Резултатът от такова взаимно пресичане е увеличаване на електронната плътност в междуядреното пространство. Ядрата на атомите, както знаете, са положително заредени и затова се опитват да бъдат привлечени възможно най-близо до отрицателно заредения електронен облак. Това привличане е много по-силно от силите на отблъскване между две положително заредени ядра, така че тази връзка е стабилна.

Първите изчисления на химическите връзки са извършени от химиците Хайтлер и Лондон. Те разглеждат връзката между два водородни атома. Най-простото визуално представяне може да изглежда така:

Както се вижда, електронната двойка заема квантово място и в двата водородни атома. Това двуцентрово подреждане на електроните се нарича "ковалентна химическа връзка". Ковалентна връзка е типична за молекулите на простите вещества и техните съединения от неметали. Веществата, създадени чрез ковалентно свързване, обикновено не водят електричествоили са полупроводници.

Йонна връзка

Химична връзка от йонен тип възниква, когато два противоположно заредени йона се привличат електрически. Йоните могат да бъдат прости, състоящи се от един атом на вещество. В съединения от този тип простите йони най-често са положително заредени атоми на метали от групата 1,2, които са загубили своя електрон. Образуването на отрицателни йони е присъщо на атомите на типичните неметали и основите на техните киселини. Следователно сред типичните йонни съединения има много халогениди на алкални метали, като CsF, NaCl и други.

За разлика от ковалентната връзка, йонът няма насищане: различен брой противоположно заредени йони могат да се присъединят към йон или група от йони. Броят на прикрепените частици е ограничен само от линейните размери на взаимодействащите йони, както и от условието, при което силите на привличане на противоположно заредените йони трябва да са по-големи от силите на отблъскване на идентично заредените частици, участващи във връзка от йонен тип.

водородна връзка

Още преди създаването на теорията за химическата структура, експериментално е наблюдавано, че водородните съединения с различни неметали имат донякъде необичайни свойства. Например, точките на кипене на флуороводород и вода са много по-високи, отколкото може да се очаква.

Тези и други характеристики на водородните съединения могат да се обяснят със способността на Н + атома да образува друга химична връзка. Този тип връзка се нарича "водородна връзка". Причините за водородната връзка се крият в свойствата на електростатичните сили. Например, в молекула на флуороводород общият електронен облак е толкова изместен към флуор, че пространството около атома на това вещество е наситено с отрицателно електрическо поле. Около водородния атом, лишен от единствения си електрон, полето е много по-слабо и има положителен заряд. В резултат на това има допълнителна връзка между положителните полета на електронните облаци H + и отрицателните F - .

Химическо свързване на метали

Атомите на всички метали са разположени в пространството по определен начин. Подреждането на металните атоми се нарича кристална решетка. В този случай електроните на различни атоми слабо взаимодействат един с друг, образувайки общ електронен облак. Този тип взаимодействие между атоми и електрони се нарича "метална връзка".

Именно свободното движение на електроните в металите може да обясни физичните свойства на металните вещества: електрическа проводимост, топлопроводимост, здравина, топимост и други.

Атомите на повечето елементи не съществуват отделно, тъй като могат да взаимодействат един с друг. При това взаимодействие се образуват по-сложни частици.

Природата на химичната връзка е действието на електростатичните сили, които са силите на взаимодействие между електрическите заряди. Такива заряди имат електроните и атомните ядра.

Електроните, разположени на външните електронни нива (валентни електрони), като са най-отдалечени от ядрото, взаимодействат с него най-слабо и следователно са в състояние да се откъснат от ядрото. Те са отговорни за свързването на атомите един с друг.

Видове взаимодействие в химията

Видовете химична връзка могат да бъдат представени като следната таблица:

Характеристика на йонната връзка

Химичното взаимодействие, което се образува поради привличане на йонис различни заряди се нарича йонен. Това се случва, ако свързаните атоми имат значителна разлика в електроотрицателността (тоест способността да привличат електрони) и електронната двойка отива към по-електроотрицателен елемент. Резултатът от такъв преход на електрони от един атом към друг е образуването на заредени частици - йони. Между тях има привличане.

имат най-ниска електроотрицателност типични метали, а най-големите са типичните неметали. По този начин йоните се образуват чрез взаимодействия между типични метали и типични неметали.

Металните атоми се превръщат в положително заредени йони (катиони), дарявайки електрони на външни електронни нива, а неметалните приемат електрони, като по този начин се превръщат в отрицателно зареденийони (аниони).

Атомите преминават в по-стабилно енергийно състояние, завършвайки електронните си конфигурации.

Йонната връзка е ненасочена и не се насища, тъй като електростатичното взаимодействие се случва във всички посоки, съответно йонът може да привлича йони с противоположния знак във всички посоки.

Подреждането на йоните е такова, че около всеки има определен брой противоположно заредени йони. Концепцията за "молекула" за йонни съединения няма смисъл.

Примери за образование

Образуването на връзка в натриев хлорид (nacl) се дължи на прехвърлянето на електрон от Na атома към Cl атома с образуването на съответните йони:

Na 0 - 1 e \u003d Na + (катион)

Cl 0 + 1 e \u003d Cl - (анион)

В натриевия хлорид има шест хлоридни аниона около натриевите катиони и шест натриеви йона около всеки хлориден йон.

Когато се образува взаимодействие между атоми в бариев сулфид, протичат следните процеси:

Ba 0 - 2 e \u003d Ba 2+

S 0 + 2 e \u003d S 2-

Ba дарява двата си електрона на сярата, което води до образуването на серни аниони S 2- и бариеви катиони Ba 2+.

метална химическа връзка

Броят на електроните във външните енергийни нива на металите е малък; те лесно се откъсват от ядрото. В резултат на това откъсване се образуват метални йони и свободни електрони. Тези електрони се наричат ​​"електронен газ". Електроните се движат свободно в целия обем на метала и са постоянно свързани и отделени от атомите.

Структурата на металното вещество е следната: кристалната решетка е гръбнакът на веществото и електроните могат да се движат свободно между неговите възли.

Могат да се дадат следните примери:

Mg - 2e<->Mg2+

Cs-e<->Cs +

Ca-2e<->Ca2+

Fe-3e<->Fe3+

Ковалентни: полярни и неполярни

Най-често срещаният тип химично взаимодействие е ковалентна връзка. Стойностите на електроотрицателността на взаимодействащите елементи не се различават рязко, във връзка с това се случва само изместване на общата електронна двойка към по-електроотрицателен атом.

Ковалентното взаимодействие може да се образува чрез обменния механизъм или чрез донорно-акцепторния механизъм.

Обменният механизъм се реализира, ако всеки от атомите има несдвоени електрони във външните електронни нива и припокриването на атомни орбитали води до появата на двойка електрони, която вече принадлежи и на двата атома. Когато единият от атомите има двойка електрони на външно електронно ниво, а другият има свободна орбитала, тогава когато атомните орбитали се припокриват, електронната двойка се социализира и взаимодействието се осъществява според механизма донор-акцептор.

Ковалентните се разделят по множественост на:

• прости или единични;
• двойно;
• тройна.

Двойките осигуряват социализирането на две двойки електрони наведнъж, а тройките - три.

Според разпределението на електронната плътност (полярността) между свързаните атоми, ковалентната връзка се разделя на:

• неполярни;
• полярни.

Неполярна връзка се образува от едни и същи атоми, а полярната връзка се образува от различна електроотрицателност.

Взаимодействието на атоми с подобна електроотрицателност се нарича неполярна връзка. Общата двойка електрони в такава молекула не се привлича от нито един от атомите, а принадлежи еднакво и на двата.

Взаимодействието на елементи, различни по електроотрицателност, води до образуване на полярни връзки. Обикновените електронни двойки с този тип взаимодействие се привличат от по-електроотрицателен елемент, но не се прехвърлят напълно към него (тоест образуването на йони не се случва). В резултат на такова изместване на електронната плътност върху атомите се появяват частични заряди: при по-електроотрицателен - отрицателен заряд, а при по-малко електроотрицателен - положителен.

Свойства и характеристики на ковалентността

Основните характеристики на ковалентната връзка:

• Дължината се определя от разстоянието между ядрата на взаимодействащите атоми.
• Полярността се определя от изместването на електронния облак към един от атомите.
• Ориентация - свойството да образуват пространствено ориентирани връзки и съответно молекули, които имат определени геометрични форми.
• Насищането се определя от способността за образуване на ограничен брой връзки.
• Поляризацията се определя от способността да се променя полярността под въздействието на външно електрическо поле.
• Енергията, необходима за прекъсване на връзката, която определя нейната сила.

Молекулите на водород (H2), хлор (Cl2), кислород (O2), азот (N2) и много други могат да бъдат пример за ковалентно неполярно взаимодействие.

H+ + H → H-H молекулаима единична неполярна връзка,

O: + :O → O=O молекулата има двойна неполярна,

Ṅ: + Ṅ: → N≡N молекулата има тройна неполярна.

Молекули на въглероден диоксид (CO2) и газ въглероден оксид (CO), сероводород (H2S), солна киселина (HCL), вода (H2O), метан (CH4), серен оксид (SO2) и много други могат да бъдат цитирани като примери на ковалентната връзка на химичните елементи.

В молекулата на CO2 връзката между въглеродните и кислородните атоми е ковалентно полярна, тъй като по-електроотрицателният водород привлича към себе си електронната плътност. Кислородът има два несдвоени електрона във външното ниво, докато въглеродът може да осигури четири валентни електрона за образуване на взаимодействие. В резултат на това се образуват двойни връзки и молекулата изглежда така: O=C=O.

За да се определи вида на връзката в конкретна молекула, достатъчно е да се разгледат съставните й атоми. Простите вещества металите образуват метална, металите с неметали образуват йонна, простите вещества неметали образуват ковалентна неполярна, а молекулите, състоящи се от различни неметали, се образуват чрез ковалентна полярна връзка.