12 Вопрос. Химическая связь. Металлическая связь. Ионная связь

Химическая связь -это сила, удерживающая вместе два или несколько атомов, ионов, молекул или любую комбинацию из них. По своей природе она представляет собой электростатическую силу притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными ядрами. Величина этой силы притяжения зависит главным образом от электронной конфигурации внешней оболочки атомов (см. гл. 1). Например, благородные газы с трудом образуют химические связи, потому что они имеют устойчивую внешнюю электронную оболочку. В отличие от этого элементы, атомы которых имеют во внешней оболочке только один электрон, легко образуют связи. Примером таких элементов является водород.

Когда два атома водорода сближаются на малое расстояние, они притягиваются друг к другу. Однако, если они сближаются слишком сильно, между ними возникает отталкивание. Оптимальным оказывается такое расстояние, при котором силы притяжения и отталкивания уравновешиваются. Ha таком расстоянии потенциальная энергия двух взаимодействующих атомов минимальна. Это расстояние называется длиной связи. Мы еще вернемся к ее более подробному обсуждению в данной главе. Ha рис. 2.1 показана зависимость потенциальной энергии от расстояния между ядрами. Кривая такого типа называется кривой Морзе. Энергия, необходимая для того, чтобы разделить два связанных между собой атома и удалить их друг от друга на расстояние, на котором они уже не испытывают силы притяжения друг к другу, называется энергия связи, или энергия диссоциации связи. Ее экспериментальное определение осуществляется путем измерения энтальпии связи (с этим понятием мы познакомимся в гл. 5).

Способность атома образовывать химические связи называется его валентностью. Впрочем, это понятие считается сильно устаревшим, поскольку в настоящее время гораздо чаще принято рассматривать химическую связь не вообще, а с учетом ее конкретного типа. Электроны, пршшмающие участие в образовании химических связей, называются валентными электронами. Эти электроны находятся на самых высоких по энергии орбиталях атома (см. гл. 1). Внешняя оболочка атома, которая содержит эти орбитали, называется валентной оболочкой.

Электронная теория валентности. Современные представления о природе химической связи основаны на электронной теории валентности. Эту теорию разработали независимо Г. Н. Льюис и В. Коссель в 1916 г. Согласно электронной теории валентности, атомы, образуя связи, приближаются к достижению наиболее устойчивой (т.е. имеющей наиболее низкую энергию) электронной конфигурации. Атомы могут достичь этого двумя способами:

1. Они могут терять либо приобретать электроны, образуя ионы. Если атомы приобретают электроны, они превращаются в анионы. Если они теряют электроны, то превращаются в катионы. Анионы и катионы с заполненной внешней электронной оболочкой имеют устойчивую электронную конфигурацию. Между анионом и катионом возникает химическая связь, представляющая собой электростатическую силу притяжения. Химическая связь такого типа ранее называлась электровалентной связью; современное название ионная связь.

2. Атомы могут также приобретать устойчивые внешние электронные конфигурации путем обобществления электронов. Возникающая при этом химическая связь называется ковалентной связью. Ковалентная связь образуется в результате обобществления пары электронов, поставляемых по одному от каждого атома. Однако в некоторых молекулах или многоатомных ионах оба таких электрона могут поставляться только одним атомом. Такая разновидность ковалентной связи называется координационной, донорно-акцепторной или дативной ковалентной связью.

Правило октета. Когда атом какого-либо элемента образует химическую связь, приобретая, теряя либо обобществляя валентные электроны, его электронная конфигурация становится такой же, как у атома благородного газа, расположенного в конце того же периода, что и данный элемент, либо в конце предыдущего периода. Атомы всех благородных газов, за исключением гелия, имеют во внешней оболочке устойчивый октет (восьмерку) электронов. Поэтому образование химических связей путем достижения устойчивых электронных конфигураций, как в атомах благородных газов, составляет суть так называемого правила октета. Это правило применимо и к ионным, и к ковалентным связям.

Другие типы химической связи. Особый случай представляет собой химическая связь в металлах; ее нельзя отнести ни к ионному типу, ни к ковалентному. В твердом состоянии металлы состоят из положительно заряженных ионов, плотно упакованных в кристаллическую решетку и удерживаемых вместе свободными электронами, которые «плавают» вокруг ионов в «электронном море». Такой тип связи называется металлической связью.

Существуют еще два типа химической связи, которые тоже будут рассматриваться в данной главе. Это - водородная связь и вандерваальсовы силы. Связи этих двух типов значительно слабее, чем связи других типов.

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Исследования, проводимые с помощью рентгеновских лучей, показывают, что металлы в твердом состоянии существуют в форме кристаллов. Эти кристаллы состоят из положительных ионов, которые удерживаются в определенных положениях кристаллической решетки свободно перемещающиеся «морем» электронов (рис. 2.13). Химическая связь, осуществляемая в результате Связывания положительных ионов решетки свободными электронами, называется металлической связью.

Ионная связь представляет собой электростатическую силу притяжения между ионами с зарядами противоположного знака. Коссель (1916 г.) предположил, что ионная связь (или электровалентная связь, как он назвал ее) может образовываться в результате переноса одного или нескольких электронов от одного атома к другому. Например, ионная связь в хлориде натрия образуется в результате переноса электрона от атома натрия к атому хлора.

Наиболее типичные ионные соединения состоят из катионов металлов, принадлежащих к 1 и Il группам периодической системы, и анионов неметаллических элементов, принадлежащих к VI и VII группам. Модель электронного переноса, предложенная Косселем, позволяет объяснить образование таких соединений. Приведем три примера:

ионная связь

Таблица 2.1. Члены изоэлектронных рядов неона и аргона

Записи в скобках под символами атомов и ионов показывают, что ионы в таких соединениях имеют такие электронные конфигурации, как и атомы благородных газов. Если атом какого-либо элемента и группа ионов других элементов имеют одинаковую электронную конфигурацию, то они образуют так называемый изоэлектроннъш ряд. В табл. 2.1 указаны члены изоэлектронных рядов неона и аргона.