6. Ионная и металлическая связь. Механизм образования ионной связи. Степень ионности связи. Ионные кристаллические решетки. Координационное число иона.

Природа металлической связи. Строение кристаллов металлов.

1. с. 71–73; 2. с. 143–147; 4. с. 90–93; 8. с. 138–144; 3. с. 130–132.

Ионной химической связью называется связь, которая образуется между катионами и анионами в результате их электростатического взаимодействия. Ионную связь можно рассматривать как предельный случай ковалентной полярной связи, образованной атомами с сильно различающимися значениями электроотрицательности.

При образовании ионной связи происходит значительное смещение общей пары электронов к более электроотрицательному атому, который таким образом приобретает отрицательный заряд и превращается в анион. Другой атом, лишившись своего электрона, образует катион. Ионная связь образуется только между атомными частицами таких элементов, которые сильно отличаются по своей электроотрицательности (Δχ ≥ 1,9).

Ионная связь характеризуется ненаправленностью в пространстве и ненасыщаемостью. Электрические заряды ионов обусловливают их притяжение и отталкивание и определяют стехиометрический состав соединения.

В целом ионное соединение представляет собой гигантскую ассоциацию ионов с противоположными зарядами. Поэтому химические формулы ионных соединений отражают лишь простейшее соотношение между числами атомных частиц, образующих такие ассоциации.

Металлическая связь – взаимодействие, удерживающее атомные частицы металлов в кристаллах.

Природа металлической связи подобна ковалентной связи: оба типа связи основаны на обобществлении валентных электронов. Однако в случае ковалентной связи обобщаются валентные электроны только двух соседних атомов, в то время как при образовании металлической связи в обобществлении этих электронов принимают участие сразу все атомы. Невысокие энергии ионизации металлов обусловливают легкость отрыва валентных электронов от атомов и перемещение по всему объему кристалла. Благодаря свободному перемещению электронов металлы обладают высокой электрической проводимостью и теплопроводностью.

Таким образом, относительно небольшое количество электронов обеспечивает связывание всех атомов в кристалле металла. Связь такого типа, в отличие от ковалентной, является нелокализованной и ненаправленной.

7. Межмолекулярное взаимодействие. Ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействие молекул. Зависимость энергии межмолекулярного взаимодействия от величины дипольного момента, поляризуемости и размера молекул. Энергия межмолекулярного взаимодействия и агрегатное состояние веществ. Характер изменения температур кипения и плавления простых веществ и молекулярных соединений р-элементов IV-VII групп.

1. с. 73–75; 2. с. 149–151; 4. с. 93–95; 8. с. 144–146; 11. с. 139–140.

Хотя молекулы в целом электронейтральны, между ними осуществляется межмолекулярное взаимодействие.

Силы сцепления, действующие между одиночными молекулами и приводящие вначале к образованию молекулярной жидкости, а затем молекулярных кристаллов, получили название межмолекулярных сил, или сил Ван-дер-Ваальса.

Межмолекулярное взаимодействие, как и химическая связь, имеет электростатическую природу, но, в отличие от последней, является очень слабым; проявляется на значительно больших расстояниях и характеризуется отсутствием насыщаемости.

Различают три типа межмолекулярного взаимодействия. К первому типу относится ориентационное взаимодействие полярных молекул. При сближении полярные молекулы ориентируются друг относительно друга в соответствии с знаками зарядов на концах диполей. Чем более полярны молекулы, тем прочнее ориентационное взаимодействие. Его энергия определяется, прежде всего, величиной электрических моментов диполей молекул (т. е. их полярностью).

Индукционное взаимодействие – это электростатическое взаимодействие между полярными и неполярными молекулами.

В неполярной молекуле под воздействием электрического поля полярной молекулы возникает «наведенный» (индуцированный) диполь, который притягивается к постоянному диполю полярной молекулы. Энергия индукционного взаимодействия определяется электрическим моментом диполя полярной молекулы и поляризуемостью неполярной молекулы.

Дисперсионное взаимодействие возникает в результате взаимного притяжения так называемых мгновенных диполей. Диполи такого типа возникают в неполярных молекулах в любой момент времени вследствие несовпадения электрических центров тяжести электронного облака и ядер, вызванного их независимыми колебаниями.

Относительная величина вклада отдельных составляющих в общую энергию межмолекулярного взаимодействия зависит от двух основных электростатических характеристик молекулы – ее полярности и поляризуемости, которые, в свою очередь, определяются размерами и структурой молекулы.

8. Водородная связь. Механизм образования и природа водородной связи. Сравнение энергии водородной связи с энергией химической связи и энергией межмолекулярного взаимодействия. Межмолекулярные и внутримолекулярные водородные связи. Характер изменения температур плавления и кипения гидридов р-элементов IV-VII групп. Значение водородных связей для природных объектов. Аномальные свойства воды.

1. с. 75–77; 2. с. 147–149; 4. с. 95–96; 11. с. 140–143.

Одной из разновидностей межмолекулярного взаимодействия является водородная связь. Она осуществляется между положительно поляризованным атомом водорода одной молекулы и отрицательно поляризованным атомом Х другой молекулы:

Х^δ-─Н^δ+ ••• Х^δ-─Н^δ+ ,

где Х – атом одного из наиболее электроотрицательных элементов – F, O или N, а символ ••• – условное обозначение водородной связи.

Образование водородной связи обусловлено, прежде всего, тем, что у атома водорода имеется только один электрон, который при образовании полярной ковалентной связи с атомом Х смещается в его сторону. На атоме водорода возникает высокий положительный заряд, что в сочетании с отсутствием внутренних электронных слоев в атоме водорода позволяет другому атому сближаться с ним до расстояний, близких к длинам ковалентных связей.

Таким образом, водородная связь образуется в результате взаимодействия диполей. Однако в отличие от обычного диполь-дипольного взаимодействия, механизм возникновения водородной связи обусловлен и донорно-акцепторным взаимодействием, где донором электронной пары является атом Х одной молекулы, а акцептором – атом водорода другой.

Водородная связь обладает свойствами направленности и насыщаемости. Наличие водородной связи существенно влияет на физические свойства веществ. Например, температуры плавления и кипения HF, H₂O и NH₃ выше, чем у гидридов других элементов тех же групп. Причиной аномального поведения является наличие водородных связей, на разрыв которых требуется дополнительная энергия.