Химическая связь

Лекция №4

Химическая связь образуется в большинстве случаев в результате той или иной перегруппировки электронов, содержащихся во взаимодействующих атомах. Важнейшими формами таких перегруппировок являются:

1) передача одного или нескольких электронов от одного атома к другому (так образуется ионная связь) и

2) смещение электронов от одного атома к другому (так образуется ковалентная связь).

Во всех случаях образования химической связи внешняя электронная оболочка каждого атома принимает конфигурацию восьмиэлектронной оболочки инертного газа (и только для атомов водорода реализуется двухэлектронная конфигурация гелия). Это правило октета строго соблюдается только для элементов 2 периода (Be, B, C, N, O и F). Атомы элементов последующих периодов могут образовывать также соединения с 10 электронами (в PСl₅), с 12 электронами (SF₆), а некоторые с 14 электронами (IF₇) и даже с 16 электронами, участвующими в образовании ковалентной связи.

Комбинации таких двухэлектронных связей, отражающие электронную структуру молекулы, получили название валентных схем. Для наглядного изображения валентных схем пользуются следующим способом. Электроны, находящиеся на внешнем электронном слое, обозначают точками, расположенными вокруг символа атома, например, для атомов водорода (1 электрон) и кислорода (6 электронов) можно записать схемы

..

H.:O

..

Образование молекулы водорода можно представить следующим образом

Н. + Н. = Н:Н

Эта схема показывает, что каждый атом водорода дает в общее пользование по одному электрону, в результате вокруг каждого из них образуется устойчивая двухэлектронная оболочка, подобная оболочке инертного газа гелия.

При образовании молекулы кислорода из атомов

........

: О +: О = О::О

........

каждый атом кислорода отдает в общее пользование одну пару своих электронов, в результате вокруг каждого из них образуется оболочка из 8 электронов, подобная оболочке инертного газа.

Строение молекулы воды можно изобразить схемой

..

Н:О:Н

..

Если вместо каждой пары электронов, образующих химическую связь условиться писать черточку, то структурная формула веществ примет вид:

H-H, O=O, NºN, H-O-H и т.д.

В молекуле водорода имеется одинарная связь, в молекуле кислорода двойная, а в молекуле азота тройная связь. Число одинарных ковалентных связей элемента в химическом соединении называется ковалентностью элемента. Так, ковалентность азота в молекулах N₂ и NH₃ равна трем, ковалентность кислорода в молекулах O₂, H₂O, CO₂ равна двум и т.д.

Cвязь между атомами является направленной. Так, экспериментально установлено, что молекула воды не является линейной молекулой, у которой все атомы расположены на одной прямой линии

H-O-H

а имеет такое строение

O

H H

Угол между связями в молекуле воды равен 109.5^о. Молекула борной кислоты

B(OH)₃ имеет плоское строение, в ней три связи бора одинаковой длины и расположены под углом 120^о друг к другу. В молекуле метана CH₄ атом углерода находится в центре правильного тетраэдра (т.е. трехранной пирамиды, у которой все грани-равносторонние треугольники), а атомы водорода в его вершинах.

Донорно-акцепторная связь

Разновидностью ковалентной связи является так называемая донорно-акцепторная связь. Химическая связь, обусловленная парой электронов, принадлежащей до образования связи одному из атомов, называется донорно-акцепторной связью. Атом, поставляющий электронную пару, называется донором, а атом, к которому эта пара перемещается, -акцептором. Смещение электронной пары делает связь полярной. Донорно-акцепторную связь иногда называют также координационной связью. Примером донорно-акцепторной связи может служит образование иона аммония NH₄⁺ из аммиака. Молекула аммиака NH₃ имеет электронное строение

H H

.. ½

H:N: или H-N:

.. ½

H H

В ней три электронные пары образуют связь N-H, а четвертая пара внешних электронов принадлежит только атому азота. Эта пара может дать связь с ионом водорода, в результате образуется ион аммония

Н H +

....

H:N: + H⁺ = H:N:H

....

H H

Ионнуюсвязь можно рассматривать как предельный случай ковалентной связи, когда пара образующих связь электронов полностью переходит к более электроотрицательному элементу. Типичным примером образования ионной связи является образование хлорида натрия из атомов натрия и хлора

..

Na. +.Cl: = Na⁺Cl^-

..

В этой реакции атом хлора достраивает свою внешнею электронную оболочку до октета за счет захвата электрона у атома натрия, при этом возникают положительно заряженный ион натрия и отрицательно заряженный ион хлора. Экспериментально доказано, что даже в парах соли натрий, и хлор существуют в ионной форме.

Водородная связь

Водородный атом обладает той особенностью, отличающей его от всех других элементов, что, отдавая свой электрон, он остается в виде ядра без электронов, т.е. в виде частицы, диаметр которой в тысячи раз меньше диаметров остальных атомов. Кроме того, вследствие отсутствия у него электронов ион Н⁺ не испытывает отталкивания от электронной оболочки другого атома или иона, а наоборот, притягивается ею. Это позволяет ему ближе подходить к другим атомам и вступать во взаимодействие с их электронами (и даже внедряться в их электронную оболочку). Поэтому в растворах водородный ион большей частью не сохраняется в виде самостоятельной частицы, а связывается с молекулами других веществ. В воде он связывается с молекулами Н₂О, образуя ион гидроксония - Н₃0⁺. С молекулами аммиака он образует ион аммония NH₄⁺ и т.д. В данных примерах реализуется донорно-акцепторная связь, о которой говорилось выше. Обычно энергия химической связи составляет порядка 30-100 ккал/моль.

В полярных молекулах, содержащих ковалентную связь атома водорода с электроотрицательным элементом Н-Э, например, в воде H-O-H, атомы водорода несут на себе некоторый (дробный) положительный заряд +d, а электроотрицательный элемент заряд -d, что отразим в схеме молекулы в виде Н^+d¾Э^-d. В растворе две такие молекулы могут притягиваться за счет кулоновских сил и приводить к возникновению водородной связи и ассоциации молекул, например, Н^+d¾Э^-d...... Н^+d¾Э^-d. Водородная связь здесь обозначена многоточием. Энергия водородной связи значительно ниже энергии ковалентной связи и составляет порядка 5-7 ккал/моль. В настоящее время доказано, что в воде могут существовать ассоциаты даже из 3 и более молекул воды. Этим объясняются многие аномальные свойства воды. Аналогичную склонность к образованию водородной связи проявляют и молекулы плавиковой кислоты HF.

Металлическая связь

В твердом состоянии металлы отличаются от всех остальных веществ своими характерными свойствами - очень высокими теплопроводностью и электропроводностью, почти полной непрозрачностьюи высокой отражательной способностью по отношению к видимому свету благодаря так называемому металлическомублеску. При образовании сплавов они сохраняют свои металлические свойства. Металлы обладают также специфическими механическими свойствами. Они более или менее ковкие, а некоторые из них имеют большую прочность при растяжении или при сжатии. В жидком состоянии большинство из перечисленных свойств металлов сохраняется, которые исчезают при переходе к газообразному состоянию. Пары металлов прозрачны (например, пары ртути, которые к тому же и бесцветны) и не проводят электрический ток. Пары металлов одноатомны, только для паров щелочных металлов была замечена слабая ассоциация в двухатомные молекулы. Например, пары натрия при температуре около 880⁰ и атмосферном давлении содержат примерно 16% молекул Na₂.

Металлы могут вытеснять водород из кислот, образуя соли, в которых они содержатся как положительные ионы. В таблице Менделеева металлы расположены под диагональю в левой нижней части. В таблице Менделеева число элементов с металлическими свойствами превышает число неметаллов. Переходные элементы, лантаниды и актиниды являются металлами.

Самым замечательным свойством металлов является легкость, с которой они проводят электрический ток. Электрический ток проходит через металл без переноса вещества, в то время как через электролиты ток переносится ионами. Если электропроводность электролитов возрастает с повышением температуры, то для металлов она наоборот падает. Вблизи абсолютного нуля некоторые металлы проявляют свойство сверхпроводимости.

Электропроводность металлов давно приписывали свободным или очень подвижным электрона м в металле. При высоком напряжении электроны покидают поверхность металла в виде катодных лучей. Раскаленные металлы также испускают электроны. Наличием свободных электронов объясняется также непрозрачность металлов.

Большинство металлов почти полностью отражают свет всех длин волн спектра, вследствие чего они имеют белый или серый цвет. Только два металла - медь и золото - поглощают соответственно зеленый и голубой свет сильнее, чем свет других длин волн, и поэтому окрашены. Очень тонкий листок золота в проходящем свете кажется зеленым.

Некоторые элементы (полуметалллы), расположенные в таблице Менделеева между неметаллами и металлами, например бор (B), кремний(Si), германий (Ge), мышьяк (As), сурьма (Sb) и теллур (Te), имеют характерный металлический блеск, однако их кристаллическая структура отличается от структуры металлов. Все они являются полупроводниками.

Дата добавления: 2014-12-08