1.Ионная связь

Ионная связь образуется, когда при сближении двух атомов валентный электрон одного атома захватывается другим. Таким образом, один из взаимодействующих атомов оказывается окруженным электронным облаком, заряд которого превосходит по абсолютной величине заряд ядра атома, следовательно становится отрицательным ионом. Другой атом превращается в положительный ион.

Атомы притягиваются друг к другу по электростатическим законам. Причем играют роль две силы притяжения.

Первая – по закону Кулона:

F = - k ,E = = -k ,k = 9∙,

где:

E- потенциальная энергия этого взаимодействия,

е - заряд электрона,

r - расстояние между центрами атомов.

Кроме того, под действием электрического поля, образованного ионами, смещаются электронные облака взаимодействующих атомов, и они превращаются в диполи (рис 1.2). Центры отрицательных и положительных зарядов в атомах в этом случае не совпадают, а находятся друг от друга на некотором расстоянии l. Величина дипольного момента:

,

где e– заряд электрона.

Рис. 1.2.Взаимодействие электрических диполей. (Объяснение в тексте).

Энергия взаимодействия диполей:

(1.5)

а сила взаимодействия

(1.6)

2.Ковалентная связь

Физическая природа ковалентной связи была объяснена в работе Гайтлера и Лондона (1927 год) в предложенном ими квантовомеханическом расчете молекул водорода. При сближении двух нейтральных атомов наблюдаетcя так называемое обменное взаимодействие, «обобществление» их валентных электронов.

При наложении электронных облаков атомов электронные плотности складываются неаддитивно. В пространстве между ядрами происходит увеличение или уменьшение электронной плотности.

Электронная плотность повышается, если спины валентных электронов взаимодействующих атомов антипараллельны.

Область повышенной электронной плотности притягивает ядра, что обуславливает силы притяжения между атомами. Так упрощенно можно объяснить физическую природу ковалентной связи атомов. Ковалентную связь образуют валентные электроны с антипараллельными спинами.

Если спины электронов параллельны и электронная плотность между атомами уменьшается, действуют силы отталкивания, обусловленные взаимодействием ядер.

3.Межатомное отталкивание

Силы отталкивания между атомами начинают проявляться в любых случаях при чрезмерном сближении ядер из-за того, что при этом уменьшается толщина слоя электронного облака между ними, и ядра уже плохо экранируются электронами.

Устойчивая молекула образуется, когда силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания.

4. Донорно- акцепторная связь

В природе часто нет строгого разделения на ковалентные и ионные связи. Встречаются промежуточные виды связи и смеси различных видов связей. Своеобразным гибридом ковалентной и ионной связи является донорно-акцепторная связь. В этом случае распределение плотности валентных электронов симметрично относительно взаимодействующих атомов, но оба валентных электрона берутся у одного из атомов.

Отдающий электрон атом – донор, другой атом – акцептор (захватчик).

5. Водородная связь

Водородная связь осуществляется через атомы водорода, соединенные с атомами кислорода, фтора и азота, реже – хлора и серы. Наличием водородной связи (водородных мостиков) объясняется соединение однородных молекул друг с другом с образованием более сложных молекулярных агрегатов, а также соединение разнородных молекул, например, воды и спирта в растворе. Атомы кислорода, фтора, азота, ковалентно связанные в молекулах с атомами водорода, сильно стягивают на себя общую с водородом электронную пару. В результате атомы водорода остаются в виде ядер-протонов, почти лишенных электронной оболочки. Поэтому они, сохраняя связи в молекулах с атомами указанных выше элементов, электростатически притягивают атомы , входящие в состав других молекул и имеющие более плотную электронную оболочку. У атома водорода появляется как бы вторая (побочная) валентность.

Рис.1.3.Водородная связь.(Объяснение в тексте).

По сравнению с ковалентной и ионной эта связь гораздо менее прочная, но она достаточна для создания молекулярных агрегатов в твердых телах, жидкостях, а иногда даже в парах.

МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СВЯЗИ

К межмолекулярным (ван-дер-ваальсовым) связям относятся ориентационные, индукционные и дисперсионные взаимодействия.

Ван-дер-ваальсовы силы действуют между нейтральными молекулами. Энергия связи, соответствующая им, значительно меньше энергии химической связи. Ван-дер-Ваальсовы силы действуют на больших расстояниях (1нм), чем химические (0,1нм).