Металлическая связь

Характерной особенностью атомов металлов является то, что у них на внешнем электронном слое содержится малое число электронов (как правило, один или два, реже – три или четыре), зато большое число вакантных электронных орбиталей. При сближении атомов металлов в результате образования кристаллической решетки незаполненные валентные орбитали соседних атомов взаимно перекрываются друг с другом (рис. 27).

Рис. 27. Схема перекрывания валентных орбиталей в кристалле металла

Благодаря этому, электроны внешнего слоя могут беспрепятственно перемещаться в междоузлии по всему объему кристалла от одного атома к другому (так как энергия ионизации у металлов мала). Они становятся общими для всех атомов, образующих кристаллическую решетку.

Совокупность обобществленных валентных электронов, совершающих хаотическое движение по всему объему кристалла, называют электронным газом.

В узлах кристаллической решетки металлов находятся нейтральные атомы и положительно заряженные ионы, непрерывно превращающиеся друг в друга вследствие протекания реакции:

-ne

Ме  Meⁿ⁺

+ne

Связь между всеми положительно заряженными ионами и свободно перемещающимися в междоузлии кристаллической решетки электронами называется металлической связью. Строение кристаллов металлов можно схематически изобразить следующим образом (рис. 28).

Рис. 28. Схема строения кристаллической решетки металла.

Металлическая связь имеет некоторое сходство с ковалентной, поскольку и в ее основе лежит обобществление электронов. Однако, электроны, осуществляющие ковалентную связь, находятся вблизи соединенных атомов и принадлежат только им двоим. А электроны, осуществляющие металлическую связь, свободно перемещаются по всему объему кристалла и принадлежат всем его атомам.

Металлическая связь не имеет направленности в пространстве и ненасыщаема, поэтому металлы, как и соединения с ионной связью, являются твердыми веществами, не имеют молекулярного строения и их состав отображается с помощью формульных единиц.

Энергия металлической связи зависит от многих факторов, главными из которых являются радиус и величина заряда положительного иона металла, а также ядра его атома.

Металлическая связь обуславливает важнейшие физические свойства металлов: высокую тепло- и электропроводность (благодаря большой подвижности электронного газа), пластичность и ковкость (из-за отсутствия локализованных химических связей).

Водородная связь

Водородную связь следует рассматривать не как самостоятельный вид химической связи, а как разновидность внутри – и межмолекулярного взаимодействия. Для его возникновения необходимо выполнение двух условий:

1. Нужно, чтобы в состав молекулы вещества входили атомы Н и атомы какого-нибудь сильно электроотрицательного элемента, главным образом: N, O или F (реже: Cl, S).

2. Необходимо, чтобы хоть один из атомов Н в молекуле был непосредственно связан ковалентной связью с атомом сильноэлектроотрицательного элемента.

Именно между этим атомом водорода, с одной стороны, и атомом N, O или F(имеющим на внешнем энергетическом уровне неподеленные электронные пары) с другой стороны образуется водородная связь. Она возникает частично по донорно-акцепторному механизму, частично – за счет кулоновского взаимодействия между противоположно заряженными атомами водорода и сильноэлектроотрицательного элемента.

Водородная связь является непрочной и примерно в 15-20 раз слабее ковалентной химической связи. В структурных формулах она обычно изображается не сплошной линией, а тремя точками.

Рассмотрим механизм образования водородной связи на примере молекул Н₂О, в которых атомы О и Н связаны между собой ковалентными полярными связями, вследствие чего на них возникают эффективные заряды + и . Между противоположно заряженными атомами соседних молекул возникает кулоновское взаимодействие (рис. 29).

Рис. 29. Схема образования водородных связей между молекулами воды

Это взаимодействие слабее ионной связи, так как эффектные заряды, возникающие на атомах Н и О, по абсолютной величине меньше целочисленных единичных зарядов в соединениях с ионной связью.

Чем больше разница в электроотрицательности между атомом Н и связанным с ним ковалентной связью другим атомом, тем прочнее должна быть образующаяся водородная связь.

Однако возникновение водородной связи обуславливается не только электростатическим взаимодействием между зарядами противоположного знака. Определенный вклад в образование водородной связи вносит уникальная способность частично свободной 1s-орбитали атома Н (так как его электронное облако в значительной мере смещается в сторону более электроотрицательного атома) взаимодействовать по донорно-акцепторному механизму с орбиталью более электроотрицательного атома, содержащей неподеленную пару электронов (рис. 30).

частично вакантная орбиталь ато-

ма водорода

несвязывающая

электронная пара атома кислорода

Рис. 30. Схема образования водородной связи между молекулами воды по донорно – акцепторному механизму

Благодаря этому водородная связь обладает свойством направленности и насыщаемости и во многом определяет структуру вещества, находящегося в конденсированном (жидком или твердом) состоянии.

Так молекулы уксусной кислоты образуют между собой димеры:

Атом кислорода в молекулах Н₂О образует за счет своих неподеленных электронных пар водородные связи с двумя соседними молекулами Н₂О. Всего молекула воды может образовать 4 водородные связи (рис. 30). Благодаря этому, кристаллическая решетка льда содержит много пустот и поэтому его плотность меньше плотности жидкой воды. При замерзании водоемов лед будет накапливаться на поверхности Н₂О, предохраняя их от полного замораживания.

Образование водородных связей более характерно для веществ, находящихся в твердом и жидком агрегатном состояниях. При повышении температуры в результате усиливающегося теплового движения молекул непрочные водородные связи легко рвутся и это приводит к распаду образовавшихся ассоциатов.

Межмолекулярная водородная связь существенно влияет на физические свойства вещества: увеличивается его плотность, температура кипения, плавления. Так аномально высокие температуры кипения NH₃, Н₂О и HF по сравнению с температурами кипения аналогичных веществ, образованных элементами этих же V A, VI A и VII A групп, объясняются образованием ассоциатов за счет водородных связей (рис. 31).

Рис. 31. Температуры кипения водородных соединений элементов V A–VII A групп

Водородная связь может образоваться и между атомами одной молекулы. В таком случае она называется внутримолекулярной. Чаще всего такая водородная связь возникает в молекулах органических соединений, содержащих в своем составе фукциональные группы: ОН, NН₂, СООН, СО, NН, −NО₂ и другие. Например, внутримолекулярная водородная связь может образоваться в молекулах салициловой кислоты, 2 - нитрофенола.

салициловая кислота 2-нитрофенол

Особенно распространены внутримолекулярные водородные связи в макромолекулах биополимеров: полисахаридов, белков, нуклеиновых кислот. Они в значительной мере отвечают за форму макромолекулы этих веществ, формируя вторичную и третичную структуры белков, двойную спираль ДНК.