9. Водородная связь (самостоятельно)

Атомы водорода, которые ковалентно связаны с атомом элемента, имеющего .высокую электроотрицательность (чаще всего F, О, М, а также Сl, S и С), несут на себе относительно высокий эффективный заряд. Вследствие этого такие атомы водорода могут электростатически взаимодействовать с атомами указанных элементов. Так, атом Н^+ одной молекулы воды ориентируется и соответственно взаимодействует (что показано тремя точками) с атомом О другой молекулы воды:

В твердой воде (лед) каждый атом О тетраэдрически окружен четырьмя атомами Н (два из них связаны ковалентно, два других — электростатически); получается соответствующая кристаллическая решетка льда. В жидкой воде практически отсутствуют свободные молекулы Н₂О, которые за счет электростатического взаимодействия указанного типа объединяются в агрегаты (Н₂О)_n, при комнатной температуре среднее значение n равно 4. Этим объясняется меньшая летучесть воды (т. кип. +100^<>С), чем у ее аналогов, в частности, у сероводорода Н₂S (т. кип, -60 °С).

Связи, образуемые атомом Н, находящимся между двумя атомами электроотрицательных элементов, называются водородными.

Энергия ковалентной составляющей водородной связи А—Н имеет значение порядка 10² кДж/моль (F—Н 565, О—Н 459, N—Н 386 кДж/моль), а электростатическая составляющая — порядка 10 кДж/моль (т. е. она намного менее прочная). Однако силы Ван-дер-Ваальса значительно слабее (1 кДж/моль), чем электростатическая составляющая водородной связи.

Пример: агрегации молекул за счет водородных связей образование зигзагообразных цепей в жидком фтороводороде НF:

Электростатическая модель образования водородных связей верна только в первом приближение, поскольку энергетически дополнительное связывание атома водорода должно иметь химическую природу. Метод валентных связей не может объяснить образование дополнительной связи атома Н, так как атом водорода одновалентен. Метод молекулярных орбиталей в его многоцентровом варианте дает следующее объяснение образования во-дородной связи. При сближении атома Н, ковалентно связанного с атомом электроотрицательного элемента А—Н , е другим атомом также электроотрицательного элемента В^- возникает трехцентовая связывающая молекулярная орбиталь, пребывание в которой электронной пары атома В^- более выгодно, чем на атомной орбитали этого же атома.

11. Ионные кристаллы (Самостоятельно)

При взаимодействии металлических и неметаллических простых веществ, сопровождающемся отдачей и приемом электронов, образуются соли. Например:

2А1 + 3F₂= 2А1F₃

Ионная связь характерна не только для солей производных бескислородных и кислородсодержащих кислот, но и для других классов неорганических веществ — основных оксидов и гидроксидов, бинарных соединений.

Между ионами с противоположными по знаку зарядами проявляются электростатические силы притяжения (так называемые кулоновские силы притяжения). Такие силы притяжения изотропны, т. е. действуют одинаково во всех направлениях. В результате расположение ионов в твердых солях упорядочивается в пространстве определенным образом (например так, как показано на рис. 25).

Рис. 25. Ионная кристаллическая решетка хлорида натрия

Система упорядочено расположенных катионов и анионов называется ионной кристаллической решеткой, а сами твердые вещества (соли, основные оксиды и гидроксиды) — ионными кристаллами. Все ионные кристаллы имеют солеобразный характер.

Под солеобразным характером понимается определенный набор свойств, отличающий ионные кристаллы от кристаллических веществ с другими типами решеток. Конечно, не все ионные решетки характеризуются таким расположением ионов в пространстве (узлов кристаллической решетки), как в решетке NаС1 (см. рис. 25), где каждый ион Nа⁺ окружен шестью ионами С1^- (и наоборот). Число ионов-соседей с противоположным зарядом может быть и иным, однако чередование катионов и анионов в пространстве является обязательным для кристаллов.

Вследствие того, что кулоновские cилы притяжения распространяются одинаково по всем направлениям, ионы в узлах кристаллической решетки связаны относительно прочно, хотя каждый из ионов не зафиксирован неподвижно, а непрерывно совершает тепловые колебания вокруг своего положения в решетке. Поступательное же движение ионов вдоль решетки отсутствует, поэтому все вещества с ионными связями при комнатной температуре — твердые (кристаллические). Амплитуда тепловых колебаний может быть увеличена нагреванием ионного кристалла, которое приводит в итоге к разрушению решетки и переходу твердого вещества в жидкое состояние (при температуре плавления). Температура плавления ионных кристаллов относительно высока, а температура кипения при которой совершается переход жидкого вещества в самое неупорядоченное, газовое состояние, имеет очень большие значения. Например:

	NaCl	NaOH	KBr	BaF2	BaCl2
т. пл., 0С	801	321	734	1368	961
т. кип., 0С	1465	1390	1380	2260	2050

Многие соли, особенно многоэлементные, комплексные, а также соли органических кислот могут разлагаться при температурах более низких, чем т. кип. и даже т. пл.

Типичным свойством многих соединений с ионной связью (которые на взаимодействуют с водой или не разлагаются до плавления) является их способность к диссоциации на составляющие ионы; вследствие подвижности ионов водные растворы и расплавы ионных кристаллов проводят электрический ток.

В ионных кристаллах отсутствуют связи между отдельными парами ионов, точнее следует сказать, что все содержащиеся в образце ионного соединения катионы и анионы оказываются связанными.

В ионных кристаллах, построенных из катионов и анионов, молекулы отсутствуют.

Химические формулы ионных веществ передают только соотношение катионов в анионов в кристаллической решетке, в целом образец ионного вещества электронейтрален. Например, в соответствии с формулой ионного кристалла А1₂О₃ соотношение катионов А1³⁺ в анионов О^2- в решетке равно 2:3; вещество электронейтрально — шесть положительных зарядов (2А1³⁺} нейтрализуются шестью отрицательными зарядами (30^2-).