Ионная связь

Способы образования ковалентной связи.

Атомы обладают разнообразными возможностями для образования ковалентных связей.

1. За счет неспаренных электронов невозбужденного атома (образование молекул).

2. За счет неспаренных электронов, получающихся в результате возбуждения атома (образование молекул). Такой механизм образования ковалентной связи, получил название обменного механизма.

3. По донорно-акцепторному механизму. В этом случае образование связи может происходить при взаимодействии одного атома с заполненной атомной орбиталью с другим атомом, имеющим вакантную (свободную) орбиталь. Атом, поставляющий пару электронов, называют донором, а атом или ион, принимающий эту электронную пару - акцептором.

Рассмотрим образование химической связи по донорно-акцепторному механизму напримере взаимодействия молекулы аммиака с ионом водорода. Атом азота имеет на внешнем энергетическом уровне два спаренных и три неспаренных электрона:

В молекуле аммиака неспаренные 2 p -электроны атома азот образуют три электронные пары с электронами атомов водорода, но у него остается еще неподеленная пара электронов (), т.е. два электрона с антипараллельными спинами на одной атомной орбитали. Атомная орбиталь иона водорода не содержит электронов (вакантная орбиталь). При сближении молекулы аммиака и иона водорода происходит взаимодействие неподеленной пары электронов атома азота и вакантной орбитали иона водорода. Эта неподеленная пара электронов становится общей для атомов азота и водорода, возникает химическая связь по донорно-акцепторному механизму. Атом азота молекулы аммиака является донором, а ион водорода - акцептором. Обозначив неподеленную пару электронов двумя точками, вакантную орбиталь квадратом, а связи черточками, можно представить образование иона аммония следующей схемой:

Образование химических связей по донорно-акцепторному механизму — весьма распространенное явление при химических реакциях.

С математической точим зрения, ионную связь можно считать простейшим видом связи. Представления об ионной связи сформировались на основе идей В. Косселя, который считал, что при взаимодействии двух атомов один из них отдает, а другой принимает электроны. Электростатическое взаимодействие образующихся при этом ионов приводит к образованию химического соединения. Ионная связь может возникать лишь при больших различиях в значениях электроотрицательностей атомов. Например, ионная связь возникает между цезием и фтором, разница электроотрицательностей у которых составляет более трех единиц (для для). К типичным соединениям с ионной связью относят галогениды щелочных металлов, например,

Проверкой теории ионной связи, которая основана на электростатической модели, служит расчет энергии кристаллической решетки, т.е. работы, которую необходимо затратить на ее разрушение с образованием газообразных ионов. Основной идеей расчета является представление о силах притяжения и отталкивания. Силы притяжения имеют кулоновскую природу. Для сил отталкивания необходимо учитывать квантовую составляющую, которая зависит от корреляции спинов. Выражение потенциальной энергии E для однозарядных ионов получается суммирование энергии притяжения и энергии отталкивания.

Т

где

В — некоторая константа, значение которой можно рассчитать для равновесного расстояния;

— показатель степени, обычно близкий к 9;

— заряд электрона;

— расстояние между центрами ионов.

Это уравнение позволяет достаточно точно описать химическую связь в двухатомных молекулах (). Подтверждением того, что мы правильно представляем себе природу химической связи между ионами (в, например), служат кривые зависимость потенциальной энергии системы от расстояния между атомами, вычисленной с помощью этого уравнения. На рис. 2.9 изображена кривая (1) зависимость потенциальной энергии от межядерного расстояния для газовых молекул,вычисленная с помощью этого уравнения, кривая (2) потенциальной энергии, вычисления в предположении о перекрывании s- и p -орбиталей атомов натрия и хлора с образованием молекулы, и экспериментально полученная кривая (3).

Таким образом, для описания ионной связи необходимо учитывать силы кулоновского взаимодействия и обычного межмолекулярного отталкивания; перекрывание атомных орбиталей вносит в такую связь лишь незначительный вклад.

Так как электрическое поле иона имеет сферическую симметрию, то в отличие от ковалентной ионная связь не обладает направленностью. Взаимодействие двух противоположно заряженных ионов не приводит к полной взаимной компенсации их поле, они сохраняют способность притягивать и другие ноны. Поэтому ионная связь не обладает насыщаемостью. Из-за отсутствия у ионной связи направленности и насыщаемости каждый нон окружен ионами противоположного знака, число которых определяется размерами ионов. Поэтому соединения с ионной связью представляют собой кристаллические вещества. Весь кристалл можно рассматривать как единую гигантскую молекулу, состоящую из очень большого числа ионов. Только при высоких температурах, когда вещество переходит в газообразное состояние, ионные соединения могут существовать в виде неассоциированных молекул. Ионную связь можно рассматривать как предельную полярную химическую связь, для которой эффективный заряд атома близок к единице. В то же время для неполярной ковалентной связи эффективный заряд атомов равен нулю. Химическая связь большинства соединений является полярной, т.е. имеет промежуточный характер между неполярной ковалентной и ионной связью. Можно сказать, что такая ковалентная связь имеет частично ионный характер. Долю ионного характера связи называют степенью ионности, которая количественно характеризуется эффективными зарядами атомов в молекуле. Например, степень ионности для молекулы равна 0,17. Степень ионности связи возрастает с увеличением разности электроотрицательностей образующих ее атомов.

Дата добавления: 2014-10-23