§ 24. Химическая связь

Учение о химической связи — одно из основных в химии. Ведь химические элементы встречаются в природе главным образом не в виде отдельных, атомов, а в виде простых или сложных веществ. Лишь немногие химические элементы — гелий Не, неон N6, аргон Аг, криптон Кг, ксенон Хе — в при­родных условиях находятся в атомном состоянии (в состоянии одноатомного газа), что объясняется устойчивостью электрон­ных оболочек атомов инертных газов.

^; Сравните строение атомов инертных газов, укажите общее и от­личное в их строении. Напишите графические формулы и элект­ронную конфигурацию атомов гелия, неона, аргона.

Свободные атомы всех остальных химических элементов стремятся образовать более сложные системы — молекулы или иные агрегаты атомов, где последние связаны химичес­кими силами, имеющими электростатическую природу. При этом образуются различные типы химической связи, основные из них — это ковалентная, ионная, металлическая.

Ковалентная связь.

Связь, осуществляемая посредством общих электронных пар₅ называется ковалентной.

Вы уже знаете, что среди свободных атомов различных химических элементов наиболее стабильной электронной кон­фигурацией обладают атомы гелия (1л ) и атомы остальных инертных газов (т пр ). Можно ожидать, что атомы других химических элементов стремятся приобрести электронную конфигурацию ближайшего инертного газа как отвечающую минимуму энергии и, следовательно, наиболее стабильную. Это достигается, например, при образовании общих электрон­ных пар, в одинаковой мере принадлежащих соединяющимся атомам и взаимодополняющих их электронную оболочку до устойчивой конфигурации типа 1,5 или т пр . Так обра­зуются, например, молекулы галогенов, метана и многих других органических и неорганических веществ:

Ковалентная связь, как мы видим на примере хлора, может возникать не только между одинаковыми, но и между разными атомами, как в молекуле метана. Рассмотрим еще пример:

В этом случае образовавшаяся общая электронная пара испытывает более сильное притяжение со стороны атома фто­ра как более электроотрицательного элемента. Происходит смещение общей электронной пары в сторону более электро­отрицательного элемента и образуется полярная ковалентная

связь

Разновидностью полярной ковалентной связи является связь, образованная по донорно-ащепторному механизму.

Следовательно, известно два механизма образования ко-валентной связи:

1. Механизм спаривания, когда каждый атом, образуя ко- валентную связь, поставляет по одному электрону для образо­ вания общей электронной пары, принадлежащей обоим ато­ мам.

2. Донорно-акцепторный механизм, когда электронная па­ ра для образования связи поставляется только одним атомом.

Ионная связь.

| Химическая связь, обусловленная электро­статическим притяжением разноименно заря-

| женных ионов, в которые превращаются атомы в результате отдачи или присоединения злект

| ронов, называется ионной.

Устойчивая электронная конфигурация атома (как у бли­жайшего инертного элемента) может быть достигнута за счет перехода электронов одного свободного атома к другому с образованием ионов, которые соединяются силами электро­статического притяжения. Например, при взаимодействии атомов натрия с атомами хлора

происходит переход электрона с З^-орбитали атома натрия на 3/э-орбиталь атома хлора. При этом атом натрия превращается в положительно заряженный ион со стабильной конфигура­цией ближайшего инертного элемента — неона . Атом же хлора принимает этот электрон на 3^-орбиталь, превращаясь в отрицательно заряженный ион с электронной конфигурацией характерной для аргона. Противоположно за­ряженные ионы прочно удерживаются силами электростати­ческого притяжения. Этот процесс можно отразить схемой:

Следовательно, ионную связь можно рассматривать как крайний случай полярной ковалентной связи.

Ионная связь образуется между атомами таких элементов, которые значительно отличаются по своей электроотрица­тельности. Американский ученый Лайнус Полинг определил

тектроотрщателъность как способность атомов в моле­куле притягивать электроны. Чем выше разность электро-этрицательностей у атомов, тем выше степень ионности связи.

Провести резкую границу между различными типами хи­мической связи невозможно. Это объясняется тем, что тип связи зависит от различных значений электроотрицательно-стей атомов элементов, которые взаимодействуют друг с дру­гом, от характера распределения электронной плотности в ве­ществе и др. Поэтому в большинстве соединений химические связи в действительности оказываются промежуточными меж­ду неполярной ковалентной и ионной связями, а в «чистом» виде они встречаются редко.

Металлическая связь. Это особый вид связи, обуслов­ленный тем, что у атомов всех металлов имеется избыток орбиталей, но недостаток электронов. Например, рассмотрим строение электронной оболочки атома лития или натрия:

На внешнем электронном уровне единственный валентный электрон занимает одну из четырех орбиталей. В кристалле лития или натрия это позволяет валентным электронам сво­бодно перемещаться в пространстве, переходя с одной орбита-ли на другую. Такие электроны становятся обобществленными (электронный газ), как бы принадлежащими всем атомам ли­тия (натрия) одновременно. Более того, непрерывно переме­щаясь между положительными ионами и электростатически притягивая их, эти обобществленные электроны обеспечивают металлическую связь, стабильность металлической решетки.

Металлическая связь — это тип химической связи, обусловленный взаимодействием ва­лентных электронов (электронного газа) с по­ложительно заряженными ионами кристалли-I ческой решетки металлов.

Металлическая связь является делокализованной; она не имеет определенной направленности, поскольку в ее образо­вании принимают участие все атомы куска металла.

Водородная связь. Атомы водорода одной молекулы мо­гут взаимодействовать с атомами очень электроотрицательных элементов (О, К, Р) другой молекулы, образуя так называемую водородную связь. Например, в молекуле фтороводорода НР .связь между атомами водорода и фтора ковалентная и сильно полярная, поскольку фтор более электроотрицательный эле­мент. Общая электронная пара сильно смещена к атому фтора (показывается стрелкой). В результате на атоме фтора возни­кает частичный отрицательный заряд 5- (дельта минус), а на атоме водорода — частичный положительный заряд 5+ (дельта плюс):

(частичные заряды по абсолютному значению меньше 1).

Молекула НР становится полярной, возникает диполь, ко­торый может взаимодействовать с диполем другой молекулы за счет электростатического притяжения, образуя водородную связь (обозначается тремя точками):

Наряду с электростатическим взаимодействием при обра­зовании водородной связи проявляется и донорно-акцепторное взаимодействие. Это объясняется тем, что атом водорода по­ложительно поляризуется при смещении единственного элект­рона и, имея очень малые размеры, создает электрическое поле высокого напряжения, вследствие чего он может глубоко внед­ряться в электронную оболочку соседнего, ковалентно с ним не связанного, отрицательно поляризованного атома. Поэтому водород в данном случае условно называют акцептором, а фтор —донором электронов.

Водородная связь слабее ионной или ковалентной, но она значительно прочнее обычного межмолекулярного взаимодей­ствия.

Между молекулами спиртов также возникает химическое взаимодействие — водородная связь:

Водородная связь встречается во многих неорганических и органических веществах (вода, аммиак, спирты, карбоновые кислоты, белки). Например, молекулы воды, где общие элект­ронные пары сильно смещены к кислороду, могут образовы­вать четыре водородные связи:

Водородная связь очень распространена в природе. Она играет важную роль при ассоциации молекул, в процессах рас­творения, кристаллизации, электролитической диссоциации и в других важных физико-химических процессах. Предпола­гают, что водородная связь играет большую роль в механизме наследственности: действие памяти связывают с хранением информации в молекулярных образованиях с водородными связями.

Задания для самоконтроля

150. Раскройте сущность основных типов химической связи на конкретных примерах. Одинакова ли их природа?

151. Как на основании строения молекулы аммиака объяснить его способность образовывать ион аммония?

152. Даны вещества: хлор, хлороводород, хлорид калия, этанол, Чем различаются эти вещества по своему строению и типу хими­ ческой связи?

150. Объясните образование химической связи в молекулах фто­ ра, оксида углерода(1У) и сероводорода.

151. Объясните образование химической связи в бромиде калия и сульфиде натрия.

152. Среди перечисленных формул веществ найдите вещества с ионным, полярным и неполярным ковалентным типами связи и объясните, как они построены: НВг, СН₄, Н₂0,2пС1₂, СС1₄, >Ш₃, СаО, ШОН, ЗО₂.

153. В каком из соединений, формулы которых приведены, меж­ ду атомами образуется ковалентная связь по донорно-акцепторному механизму, объясните ее:

(1)КС1; (3)СС1₄;

(2) НН₄С1; (4) СО₂.

157. Объясните строение молекул метана, этана и этилена. Ука­ жите химические связи.

158. Объясните механизм образования водородной связи. 159*. Почему температура кипения спиртов значительно выше,

чем у соответствующих углеводородов?

160*. Почему в альдегидах в отличие от спиртов водородная связь не образуется?

161*. Почему многие неорганические вещества, например гало-геноводороды, имеющие ковалентную связь, в водном растворе под­вергаются диссоциации и образуют ионы?