8. Виды химической связи. Ковалентная и ионная связи.

Ковалентная связь (гомеополярная связь) образуется за счет электронов с антипараллельными спинами, являющимися общими для пары атомов. Связь эта жестко локализована в пространстве. Энергия связи зависит от степени перекрытия электронных оболочек. Ковалентная связь является очень прочной связью. Это подтверждается, например, тем, что у карбида кремния (SiC) температура разложения порядка 2600 °С; у углерода в модификации алмаза твердость 10 баллов. Приведенные в качестве примера вещества обладают ковалентной связью. Данный тип связи наблюдается у веществ в газообразном, жидком и твердом состояниях, имеет место, как в диэлектриках, так и в полупроводниках. Ионная связь (гетерополярная связь) образуется за счет взаимного кулоновского притяжения разноименно заряженных ионов. При этом притяжение разноименно заряженных ионов превышает отталкивание одноименно заряженных. Эта связь наблюдается в, так называемых, ионных кристаллах, которые являются гигантской ассоциацией ионов. Прочность или энергия (W) ионной связи определяется следующим (рис. 3.3): взаимным кулоновским притяжением положительных и отрицательных ионов; отталкиванием внешних электронных оболочек этих же ионов, возникающим при очень малых расстояниях между ионами. В итоге образуется кристаллическая структура, которая определяется величиной r₀, размерами ионов и имеет минимум свободной энергии. Существует семь типов кристаллических решеток: кубическая; гексагональная; тетрагональная; ромбическая; триклинная; моноклинная; ромбоэдрическая (тригональная). Таким образом, ионная связь чаще всего образуется между элементами I, II, III и VI, VII групп таблицы Д. И. Менделеева, т. е. соединяются атомы с резко различной электроотрицательностью. Пример молекул с ионной связью: Li₂O, MgO, NaCl и др. Ионная связь так же, как и ковалентная, очень прочная, например, температура плавления оксида алюминия (Al₂O₃) 2040 °C, оксида магния (MgO) 2800 °C, диоксида тория ThO₂ 3050 °C. Перечисленные в качестве примера материалы имеют ионный тип связи.

9. Виды химической связи. Металлическая, молекулярная и водородная связи.

Металлическая связь имеет место в веществах, состоящих из положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки, и квазисвободных (обобществленных, коллективизированных, легко перемещаемых под действием электрического поля) электронов.

Вещества металлической связью имеют: высокую электропроводность; высокую теплопроводность; высокую отражательную способность (блеск); высокую плотность упаковку (плотность d не менее 22,6 г/см3); пластичность. Вещества, обладающие таким набором свойств, являются металлами — проводниками (Ag, Cu, Au, Al, Li, Na, Fe и др.). Металлическая связь, такая же прочная, как ионная и ковалентная, например, температура плавления вольфрама 3380 °С. Вместе с тем имеются металлы, у которых наблюдается низкая температура плавления Тпл. Например, температура плавления ртути — 39 °С, цезия + 28,5 °С, галлия + 30,0 °С.

Молекулярная связь (связь Ван–дер–Ваальса) возникает между молекулами, внутри которых уже имеется ковалентная связь. Эта связь обусловлена синхронным движением внешних валентных электронов, которые в каждый момент времени максимально удалены друг от друга (рис. 3.6). При этом силы притяжения валентных электронов положительно заряженными остовами соседних молекул оказываются сильнее сил взаимного отталкивания электронов внешних орбит. Эта связь слабая, у нее низкая энергия связи. Энергия молекулярной связи приблизительно 0,05 – 0,2 эВ, в то время как, энергия связи молекулы с ионной связью, например, NaCl равна 8 эВ. Молекулярная связь легко разрушается тепловым движением. Так, парафин(С_nH_2n+2 , где n = 40 – 50), обладающий молекулярной связью, имеет температуру плавления 50 – 52 °С. Наличие в веществе двух видов связи (ковалентной и молекулярной) приводит к тому, что у вещества наблюдается анизотропия свойств. Молекулярная связь имеет место в диэлектриках: полимеры, твердые Н₂, N₂, O₂, Cl₂ и др. Водородная связь (Н-связь) возникает между двумя электроотрицательными атомами через атом водорода (рис. 3.7). Ее суть заключается в следующем. Атом водорода, ковалентно связанный с электроотрицательным атомом (например, кислородом), несет относительно высокий положительный заряд и электростатически притягивается электроотрицательным атомом другой молекулы с образованием водородной связи. Комплекс, имеющий Н-связь, рассматривается, как система с наиболее энергетически выгодным расположением электронов. Возможность образования Н-связи во многом определяется малым размером атома водорода, позволяющим подойти к другим атомам на очень близкое расстояние. Энергия водородной связи зависит от электроотрицательности атомов и характерна для групп типа: - ОН, -NH и др. Для образования водородной связи электроотрицательные атомы должны сблизиться на определенное расстояние порядка (0.25 – 0.30) нм. По энергии Н-связи условно подразделяют на «слабые» (менее 15 кДж/моль), «средние» (15 – 30 кДж/моль) и «сильные» (до 60 – 80 кДж/моль). В органических соединениях Н-связи обычно относятся к слабым и средним, но и они достаточно сильны (особенно в целлюлозе).