2. Типы химических связей и их свойства

Значение валентности соответствует числу ковалентных связей, которые образует атом.

Н.С. Ахметов

В зависимости от характера распределения электронной плотности относительно ядер различают 3 типа химических связей: ковалентный, ионный и металлический. Напомним, что ионной называют связь, образованную двумя противоположно заряженными ионами, а ковалентной – связь, которая формируется за счет обобществления пары электронов между двумя атомами.

Третий тип химической связи – металлический – образуется в результате обобществления валентных электронов между всеми атомами кристалла, т.е. за счет делокализации связывающих электронов. Как следствие, соединения с металлической связью обладают электропроводностью, а также пластичностью.

Отметим, что, если чисто ковалентная связь осуществима практически (например, в решетке алмаза, в молекуле водорода и т.п.), то ионная связь в чистом виде не встречается. Поскольку величина потенциала ионизации атома даже наименее электроотрицательного элемента (элемент обозначается буквой Э) – Cs больше, чем значение сродства к е у наиболее электроотрицательного Э – F.

Как следствие, во фториде цезия не происходит полной передачи электронов от Cs к F, а лишь на 93% (см. значения δ в сноске главы 4.1). Это значит, что 7% времени связывающие электроны находятся в общем пользовании атомов данных элементов, т.е. связь на 7% ковалентная.

Условились считать, что связь ионная, если ковалентная составляющая в ней менее 50%. Очевидно, чем больше ионность связи, тем выше эффективные заряды на атомах и поэтому, тем меньше (при прочих равных) устойчивость связи к действию полярных молекул воды, вызывающему гетеролитический разрыв (т.е. распад на ионы).

Практически не наблюдается и чисто металлической связи, т.к. из-за электростатического притяжения ядер электроны чаще, чем в других областях пространства решетки металла, фиксируются между данными двумя атомами, образуя ковалентную связь. Причем, чем больше заряд ядра и меньше радиус атома, тем больше ковалентная составляющая связи и тем более прочен металл. И в частности, выше его температура плавления.

Высокие значения прочности и температур плавления имеют также вещества с большой долей ионной связи (за счет значительного электростатического взаимодействия между ионами решетки).

Металлические и ионные связи в силу их ненаправленности и ненасыщаемости формируют координационные решетки (см. главу 1.1), причем в них каждая частица имеет сравнительно большое число соседних частиц, т.е. высокое координационное число (к.ч.) – 6 и более. Это металлы (Na, Au и др.) и соли (NaCl, MgSO₄ и др.).

Подчеркнем, что в последней соли анион образован за счет ковалентных связей, которые обладают устойчивостью, как к гомолитическому разрыву (распад на атомы), так и к гетеролитическому – например, при растворении соли в воде.

Однако ковалентная связь с низкой энергией (как, например, в молекуле HI) неустойчива и к гомолитическому разрыву (при небольшом нагревании идет реакция: HI → H₂ + I₂ ), и к гетеролитическому (в водном растворе HI является самой сильной кислотой среди неорганических некомплексных кислот).

Основной особенностью ковалентной связи является то, что она, в отличие от ионной и металлической, направлена и насыщаема. Поэтому именно соединения с ковалентной связью отличаются большим разнообразием структур (глава 1.1). Они могут иметь молекулярную решетку (H₂ ), волокнистую (карбин), слоистую

(графит). А также координационную (как и соединения с ионной и металлической связью), но с низким (сравнительно) к.ч., например, 4 в случае алмаза и т.п.