3. • Понятие химической связи
• Химическая связь
• взаимодействие атомов, осуществляемое
путём обмена электронами или их
перехода от одного атома к другому.
4. • Основное условие образования химической связи — понижение
полной энергии системы по сравнению с суммарной энергией
изолированных атомов. Молекула может образоваться только в
том случае, если при взаимодействии атомов их общая энергия
уменьшается. Образование химической связи всегда
сопровождается выделением энергии, которая
называется энергией химической связи.
• Образование такой системы может идти несколькими
способами и приводит к образованию соединений с
различными видами химической связи. При образовании
химической связи атомы стремятся приобрести устойчивую
электронную оболочку. Эта идея была выдвинута в 1916 г. Г.
Льюисом. Он предположил, что наиболее устойчивым является
завершённый внешний энергетический уровень, который
имеют атомы благородных газов. Завершённый внешний
электронный уровень атомов всех благородных газов, кроме
гелия, содержит восемь электронов, атом гелия — два
электрона.
5. • При образовании химической связи атомы стремятся изменить
свои электронные оболочки до конфигурации устойчивой
электронной оболочки ближайшего благородного газа, т. е. до
двух, как у гелия, или до восьми электронов, как у остальных
благородных газов. Это утверждение называется правилом
октета (от лат. окто — восемь). Завершение внешних
электронных оболочек становится возможным путём отдачи
или присоединения электронов, а также путём образования
общих электронных пар. Такое изменение электронных
оболочек атомов приводит к образованию устойчивых структур.
• Различают четыре основных вида химической связи:
ковалентную, ионную, металлическую и водородную.
• Важнейшей характеристикой атома при образовании
химической связи является его электроотрицательность (ЭО) —
способность притягивать электроны от других атомов.
6. • Ковалентная связь
• химическая связь, возникающая в
результате образования общих
электронных пар.
7. • Если атомы неметаллов обладают одинаковой ЭО,
возникает ковалентная неполярная связь. Общая
электронная пара при образовании ковалентной
неполярной связи в равной мере принадлежит обоим
соединяющимся атомам.
• Рассмотрим, каким образом образуются устойчивые
электронные оболочки атомов водорода в молекуле
водорода. Атому водорода до завершения внешнего
уровня не хватает одного электрона, при образовании
молекулы H2 происходит объединение электронов
двух атомов, в результате чего каждый атом водорода
приобретает конфигурацию инертного газа гелия. В
молекуле водорода H2 атомы водорода связаны
ковалентной связью.
8. При составлении схемы
образования ковалентной связи в
молекулах можно использовать
следующий алгоритм:
• 1) определить число внешних электронов у атома
неметалла и число неспаренных электронов;
• 2) записать символы химических элементов с
обозначением внешних электронов таким образом,
чтобы неспаренные электроны были обращены к
соседнему символу;
• 3) составить схему образования ковалентной связи
между атомами.
9. • Рассмотрим также механизм образования
ковалентной связи в молекуле фтора F2,
применяя предлагаемый алгоритм.
• Атом фтора на внешнем электронном уровне
содержит 7 электронов — 3 электронные
пары и 1 неспаренный электрон. До
завершения электронного уровня атому фтора
не хватает одного электрона.
• Каждый атом фтора при образовании связи
предоставляет в общее пользование по
одному неспаренному электрону. Это
приводит к образованию общей электронной
пары, в результате атомы фтора приобретают
устойчивую восьмиэлектронную
конфигурацию инертного газа неона:
11. Ковалентная связь может
возникнуть не только между
атомами одинаковых, но и разных
элементов.
• Если разность ЭО атомов меньше 1,8 (граница
условная), то между ними возникает
ковалентная полярная связь. При этом общая
электронная пара смещается к атому с
большей электроотрицательностью.
• Как правило, ковалентная полярная связь
возникает между атомами неметаллов.
Примерами таких соединений могут быть HCl,
HBr, H2O, H2S и др.
12. • При соединении атомов водорода и хлора в
молекулу каждый атом приобретает
устойчивую завершенную оболочку:
водород — двухэлектронную, подобную
оболочке гелия He , хлор —
восьмиэлектронную, подобную оболочке
аргона Ar . Однако общая электронная пара
в молекуле хлороводорода HCl смещается
к более электроотрицательному атому
хлора Cl, что обозначается стрелкой:
14. • В молекулах фтора и хлороводорода между
атомами образуется одна общая
электронная пара. Такая связь называется
одинарной. Существуют также двойные и
тройные ковалентные связи.
• Например, при образовании молекулы
азота N2 между атомами азота образуется
не одна, а три общих электронных пары
(тройная связь), так как на внешнем
энергетическом уровне атома азота
содержится три неспаренных электрона:
16. • При соединении двух атомов азота в молекулу каждый атом
приобретает устойчивую завершенную восьмиэлектронную оболочку,
подобную оболочке аргона неона .
• В рассмотренных примерах при образовании общей электронной
пары каждый из двух атомов предоставляет в совместное
пользование по одному электрону. Такой механизм образования
связи называется обменным.
• Возможно также образование ковалентной связи по другому
механизму, когда один атом предоставляет в общее пользование два
электрона, а другой принимает эти электроны на свою свободную
орбиталь. Атом, предоставляющий электронную пару, называется
донором, а атом, принимающий на свободную орбиталь электроны —
акцептором. Такой механизм образования ковалентной связи
называется донорно-акцепторным.
17. Рис. 4. Обменный и донорно-акцепторный механизмы
образования ковалентной связи
18. • Примером донорно-акцепторного
механизма образования ковалентной связи
может служить взаимодействие молекулы
аммиака NH3 с ионом водорода H+ с
образованием катиона аммония NH4+ :
Рис. 5. Образование катиона аммония
19. • В молекуле аммиака NH3 атом азота, имеющий три
неспаренных электрона, образует три ковалентные
связи с атомами водорода по обменному механизму.
При этом у азота остаётся неподелённая электронная
пара, которую он предоставляет для образования связи
по донорно-акцепторному механизму с ионом
водорода, у которого есть свободная орбиталь. Таким
образом, в катионе аммония NH4+ три связи N-H
образованы по обменному механизму, а одна — по
донорно-акцепторному. Все четыре связи N-H
равноценны по своим свойствам и отличаются только
механизмом образования.
• Донорно-акцепторный механизм образования связи
характерен также для металлов побочных подгрупп, в
частности железа. Молекулы гемоглобина крови,
содержащие атомы железа, связывают кислород
воздуха по донорно-акцепторному механизму.
20. • Перечислим основные свойства ковалентной связи.
• 1. Полярность связи характеризует неравномерность распределения между
атомами электронной плотности, образованной общими электронными
парами. Чем больше разность электроотрицательностей атомов, тем в большей
степени происходит смещение общей электронной пары, тем выше полярность
связи.
• Часто в молекулах с полярными ковалентными связями центры положительного
и отрицательного зарядов разделены и находятся в разных точках. Молекула с
разделёнными центрами положительного и отрицательного заряда называется
диполем («диполь» означает «двухполюсный»). Молекулы галогеноводородов,
воды представляют собой диполи. Атом, к которому смещена общая
электронная пара, приобретает частично отрицательный заряд. Частичный
заряд обозначают греческой буквой дельта . Следовательно, атом, к которому
смещена электронная пара, приобретает частично отрицательный заряд , а
связанный с ним атом приобретает равный по величине, но противоположный
по знаку частично положительный заряд . Чем больше значение заряда , тем
больше полярность связи.
• Однако не все молекулы с полярными связями являются диполями. Это во
многом зависит от пространственного строения молекулы: если смещение
электронной плотности одной связи полностью компенсируется другой, как,
например, в молекулах , то молекула будет неполярной.
22. • 2. Энергия связи — энергия, которую
необходимо затратить, чтобы разрушить связь.
• 3. Длина связи — расстояние между ядрами
связанных атомов, соответствующее
наименьшей энергии молекулы
• 4. Кратность связи — число общих электронных
пар, возникших между атомами. Чем выше
кратность связи, тем больше её энергия и тем
меньше длина, т. е. тем она прочнее.
23. • 5. Направленность связи обусловлена тем, что ковалентная связь
образуется при перекрывании электронных орбиталей, которые
направлены друг к другу под определенным углом. Угол между
линиями, соединяющими химически связанные атомы,
называется валентным углом.
• Например, валентный угол в молекуле CO2 равен 180 , в
молекуле BF3 — 120, в молекуле CH4 —109.5 , в молекуле H2O —
104.5. Зная валентные углы в молекуле, можно определить её
геометрическую форму: так, молекула воды имеет угловую форму,
молекула углекислого газа — линейную.
• 6. Насыщаемость связи характеризует возможность образования
атомом ограниченного числа ковалентных связей из-за
ограниченного числа неспаренных электронов. Например,
водород образует молекулу H2, но не молекулу H3; углерод
может присоединить максимально четыре атома водорода с
образованием молекулы метана CH4, а молекула CH5 не может
существовать.
24. Ионная связь
• связь, которая возникает между атомами,
сильно различающимися по значениям
электроотрицательности.
25. • Ионная связь возникает, например, между атомами типичных
металлов и типичных неметаллов ( ЭО >1.8 — величина условная).
• Примерами веществ с ионной связью являются CaF2, K2O, Na3N и
др.
• Ионную связь можно рассматривать как крайний случай
ковалентной полярной связи, когда электрон практически
полностью переходит от атома с меньшей электроотрицательностью
к атому с большей электроотрицательностью. Однако в
действительности полного перехода электрона не происходит
никогда. Даже в таких типичных ионных соединениях, как,
например, в галогенидах щелочных металлов, нет полного
разделения положительных и отрицательных зарядов.
• Так, в кристалле хлорида натрия NaCl эффективные отрицательные
заряды атомов натрия Na и хлора Cl составляют заряда электрона.
• В результате отдачи или присоединения электронов из нейтральных
атомов или молекул образуются ионы.
26. Сравнение ковалентной и ионной
связи
Ковалентная связь
• Возникает в результате обобществления электронов в
пары, одновременно принадлежащие обоим атомам
Имеет электростатическую природу (общая
пара притягивается обоими ядрами)
• Характеризуется кратностью, направленностью и
насыщаемостью
27. Число ковалентных связей, которые образует
атом, называют валентностью
Образуется между атомами,
электроотрицательности которых одинаковы или
различаются незначительно (как правило, между
атомами неметаллов)
28. Ионная связь
Возникает в результате притяжения разноименных ионов
• Имеет электростатическую природу (кулоновское притяжение
противоположно заряженных ионов)
Не имеет кратности, направленности и насыщаемости
• Число ближайших соседей, окружающих данный атом, называют
координационным числом
• Образуется между атомами, электроотрицательности которых
сильно различаются (между атомами типичного металла и
типичного неметалла)
29. Металлическая связь
• связь между положительными ионами
металлов и общими электронами, которые
свободно движутся по всему объёму.
30. • Металлическая связь существует в простых веществах
металлах (в твёрдом или расплавленном состоянии),
сплавах металлов. Металлическая связь может
существовать только в веществах, но не между
отдельными атомами.
• Рассмотрим механизм образования металлической
связи. Атомы металлов легко отдают внешние
электроны в общее пользование, в результате чего
образуются катионы металлов и обобществленные
электроны, которые легко перемещаются по всему
объёму. Между ионами и свободными электронами
возникают электростатические взаимодействия,
которые и являются причиной возникновения
металлической связи. Свободно перемещающиеся
электроны обусловливают электрическую
проводимость металлов.
32. В одном и том же веществе могут
содержаться различные типы
химических связей, например:
• в основаниях — между атомами кислорода и водорода в
гидроксогруппах связь ковалентная полярная, а между металлом и
гидроксогруппой — ионная;
• в солях кислородсодержащих кислот — между атомами неметалла и
кислородом в кислотном остатке — ковалентная полярная, а между
металлом и кислотным остатком — ионная;
• в солях аммония, метиламмония и т. д. — между атомами азота и
водорода — ковалентная полярная, а между ионами аммония или
метиламмония и кислотным остатком — ионная;
• в пероксидах металлов — связь между атомами кислорода
ковалентная неполярная, а между металлом и кислородом — ионная,
например, Na-O-O-Na ).
33. • Различные типы химических связей могут
переходить одна в другую, например:
• при электролитической диссоциации в воде
ковалентная полярная связь переходит в
ионную;
• при испарении металлов металлическая связь
переходит в ковалентную неполярную и т. д.
34. Водородная связь
• связь между электроотрицательным
атомом и атомом водорода , связанным
ковалентно с другим
электроотрицательным атомом.
35. • Водородная связь возникает тогда, когда атом водорода связан
с электроотрицательным атомом, смещающим на себя
электронную плотность и создающим при этом положительный
заряд на атоме водорода. В качестве электроотрицательных
атомов могут выступать фтор , кислород или азот . Водородная
связь может возникать, если существует полярная связь H-X , а у
атома || периода (азота N , кислорода O или фтора F ) есть
свободная электронная пара. Таким образом, водородная связь
имеет частично электростатическую, частично донорно-
акцепторную природу.
• Водородная связь возникает, например, между молекулами
воды. Более электроотрицательный атом кислорода
обусловливает полярный характер связи O-H с избытком
отрицательного заряда на атоме кислорода. Атом водорода
при этом приобретает частично положительный заряд и
взаимодействует с неподелёнными электронными парами
атома кислорода в другой молекуле воды.
36. Коротко о главном
• Химическая связь — это взаимодействие атомов, осуществляемое путём
обмена электронами или их перехода от одного атома к другому.
• Причиной образования химической связи является стремление системы к
более устойчивому состоянию с минимально возможным запасом
энергии. При образовании химической связи атомы стремятся
приобрести устойчивую электронную оболочку.
• Химическая связь имеет единую природу. Причиной единства всех типов
и видов химических связей служит их одинаковая физическая природа —
электронно-ядерное взаимодействие.
37. Различают четыре основных вида
химической связи: ковалентную,
ионную, металлическую и водородную.
• Ковалентная химическая связь — связь, возникающая в результате
образования общих электронных пар.
• Ионная связь — это связь, которая возникает между атомами, сильно
различающимися по значениям электроотрицательности. Ионы — это
заряженные частицы, образующиеся из нейтральных атомов или молекул
путём отдачи или присоединении электронов. Ионы могут также состоять из
группы атомов. Положительно заряженные ионы называются катионами,
отрицательно заряженные — анионами
• Металлическая связь — это связь между положительными ионами металлов и
общими электронами, которые свободно движутся по всему объёму.
• Водородная связь — это связь между атомом водорода, ковалентно
связанным с другим электроотрицательным атомом.
