Урок 14 Получить доступ за 75 баллов Химическая связь

После подробного изучения строения атома и состояния электронных оболочек можно приступать к вопросу о том, каким же образом происходит соединение атомов в молекулы.

В образовании химической связи участвуют электроны внешнего электронного слоя.

На одной орбитали могут находиться не более двух электронов, причем их спины (четвертое квантовое число) должны быть противоположны. Более того, состояние атома, в котором на орбитали имеется один неспаренный электрон, является нестабильным: атом стремится к объединению с другим атомом (или с несколькими) с той целью, чтобы электроны на всех орбиталях были спаренными.

Получив недостающий электрон, атом переходит в стабильное состояние.

Экспериментально доказано, что почти все вещества, находясь в газообразном состоянии, объединяются в двухатомные молекулы.

Это касается не только привычных нам газов: водорода, кислорода, азота, хлора, но и веществ, которые при нормальном состоянии представляют собой жидкости (бром) или твердые вещества (йод).

В двухатомные молекулы объединяются даже пары металлов (литий, натрий).

Рассмотрим процесс образования молекул водорода.

При взаимодействии атомов водорода, электроны которых имеют антипараллельные спины, они взаимно притягиваются, их электронные облака перекрываются.

В месте взаимного перекрывания плотность двухэлектронного облака увеличивается, расстояние между ядрами атомов уменьшается.

При этом электроны образуют в пространстве уже не два электронных облака, а одно.

Атомы перешли в более стабильное состояние, при котором электроны спарены.

Внутренняя энергия системы, состоящей из двух атомов водорода, также уменьшается (избыток энергии выделяется в виде теплоты).

Область повышенной двухэлектронной плотности связывает два атома водорода в молекулу Н₂. Между атомами образовалась химическая связь.

Итак, химическая связь между атомами водорода осуществляется обобществленной парой электронов.

Каждый из атомов отдает на образование связи по одному электрону.

Подобным образом осуществляется связь между атомами любого элемента.

В молекулах водорода атомы связаны одной общей электронной парой.

Такую связь называют одинарной. Но химическая связь между атомами в молекулах может быть образована с помощью большего числа электронных пар.

Это зависит от строения взаимодействующих атомов.

Например, у атома азота на внешнем электронном слое 5 электронов: 2 спаренных на s-орбитали и 3 неспаренных на трёх p-орбиталях.

Атом стремится к такому состоянию, чтобы все электроны были спарены, поэтому при объединении двух атомов азота образуется три общие пары электронов – такую связь называют тройной. 

Увеличение числа электронных пар, связывающих атомы в молекулу, увеличивает прочность молекул.

Именно поэтому азот не так активно вступает в химические реакции, как, например, кислород или водород.

Конечно, на реакционную способность простого вещества влияет не только кратность связи в молекуле, но и другие факторы.

Поскольку атомы при объединении в молекулы проявляют валентность (т.е. способность объединяться с другими атомами) и связь образуется с образованием общих электронных пар, такую связь называют ковалентной.

Приставка «ко-» как риз и обозначает совместное участие.

С помощью ковалентной связи между атомами неметаллов образуются молекулы простых веществ, а также и многих сложных веществ.

Американский физикохимик Джилберт Льюис предложил электронные формулы веществ, отражающие природу ковалентной связи, которые затем назвали формулами Льюиса.

В этих формулах валентные электроны внешнего слоя условно изображены точкой. В них ковалентные связи обозначены общей электронной парой.

Общие электронные пары, осуществляющие химическую связь, для удобства также обозначают черточками:

Ковалентная связь устанавливается между атомами не только одного элемента, но и разных.

Рассмотрим установление химической связи между атомами разных элементов-неметаллов на примере образования фторида водорода.

Запишем схему электронных структур атомов водорода и фтора.

У каждого из атомов имеется по одному неспаренному электрону.

При взаимодействии этих электронов может образоваться общая электронная пара, связывающая атомы разных элементов:

В данном случае перекрываются сферическая s- орбиталь атома водорода и гантелеобразная p-орбиталь атома фтора.

Эта химическая связь также ковалентная.

Она осуществляется общей электронной парой, для образования которой каждый из этих атомов поставляет по одному электрону.

Связывающая их электронная пара принадлежит обоим атомам, однако уже не в равной степени.

Это связано с тем, что атомы разных элементов имеют разную электроотрицательность.

Общая электронная пара в молекуле сложного вещества смещена к одному из атомов, что образует вокруг этого атома избыток отрицательного заряда, а у другого – избыток положительного заряда.

Такая молекула имеет как бы два полюса: положительный и отрицательный.

Поэтому такую связь называют ковалентной полярной.

Молекулы хлороводорода, воды, аммиака являются полярными.

Их еще называют диполями (имеющими два полюса).

В противоположность этому, связь между одинаковыми атомами, где электронная пара принадлежит обоим атомам в равной степени, называют ковалентной неполярной.

Важнейшим свойством ковалентной связи является ее прочность.

Она определяется энергией связи. Вы уже знаете, что при образовании химической связи выделяется энергия – это экзотермический процесс.

При образовании H₂выделяется 431 кДж/моль, при образовании HF– 565 кДж/моль (количество энергии, выделяющееся при образовании 1 моль вещества).

Чем выше степень перекрывания электронных облаков связывающихся атомов, тем больше энергия их связи и тем прочнее образованная молекула.

Длина связи – другое ее свойство. Длину связи измеряют в нанометрах (1  нанометр = 10^-9метра).

Длина связи зависит от радиуса взаимодействующих атомов, от кратности связи между ними.

Чем меньше длина связи, тем она прочнее.

Направленностьковалентной связи определяется взаимным расположением электронных облаков, участвующих в образовании химической связи.

Рассмотрим направленность ковалентных связей в молекуле воды.

У атома кислорода два неспаренных р-электрона.

Их р-электронные облака расположены в пространстве взаимно перпендикулярно по отношению друг к другу.

При взаимодействии с атомами водорода образуются две химические связи.

В молекуле воды они также образуют угол.

Экспериментально установлено, что угол связи Н–О–Н в молекуле воды равен не 90°, а 104,45° вследствие их взаимного отталкивания: у молекулы воды угловая форма.

Здесь настало время рассказать про ещё один вид связи.

Эту связь нельзя назвать полностью химической, а скорее электрохимической.

Кислород имеет очень большую электроотрицательность по отношению к водороду, вследствие чего в молекуле воды он очень сильно смещает на себя электронные пары, поэтому образующиеся вокруг атомов заряды ощутимы до такой степени, что между соседними молекулами воды образуются силы притяжения.

Поскольку такой вид связи образуется преимущественно с участием атомов водорода, её называют водородной.

Прочность такой связи примерно в 10 раз меньше прочности ковалентной, однако она значительно влияет на свойства веществ: повышает температуру плавления и кипения, вязкость, теплопроводность, теплоёмкость веществ.

Для примера рассмотрим температуры кипения и плавления водородных соединений элементов VI группы периодической системы (кислород, сера, селен, теллур) и рассмотрим их в виде таблицы и графика.

Если бы между молекулами воды не существовало водородных связей, температура кипения воды была бы около минус 80 °С, а температура плавления около минус 90°С.

Водородная связь играет большую роль не только в том, что вода при нормальных условиях представляет собой жидкость.

Она также участвует в стабилизации очень многих органических молекул в живых организмах, таких как белки или нуклеиновые кислоты.

Молекулы разных веществ могут иметь линейное, угловое, пирамидальное и другое строение, плоскостную и неплоскостную формы.

Двухатомные молекулы, естественно, линейной формы.

Трехатомные молекулы могут иметь линейную или угловую форму. Четырехатомная молекула аммиака имеет форму пирамиды. 

В том случае, когда электроотрицательности элементов в составе молекулы отличаются друг от друга весьма значительно, электрон в такой же степени сдвигается в сторону одного из атомов, становится почти полностью принадлежащим этому атому.

Примером такой связи можно назвать связь атомов в хлориде натрия (поваренная соль).

Отдав свой электрон атому хлора, атом натрия превращается в положительно заряженную частицу – ион Na⁺.

Атом хлора, приобретая электрон натрия, достраивает внешний электронный слой до устойчивой структуры и приобретает отрицательный заряд, превращаясь в ион Cl^–.

Положительно заряженные ионы называют катионами, а отрицательно заряженные ионы – анионами.

Между ними возникают силы электростатического притяжения.

За счет этих сил разноименно заряженные ионы связываются между собой, образуя соединение NaCl(поваренная соль).

Связь атомных частиц в ионном соединении объясняется не повышенной плотностью двухэлектронного облака (общей электронной пары), а силами электростатического притяжения ионов.

Химическая связь между ионами, осуществляемая силами их электростатического притяжения, называется ионной связью, а соединения, которые образовались вследствие притяжения ионов, называются ионными.

Ионных соединений сравнительно немного. Их образуют типичные металлы и неметаллы, резко отличающиеся по своей электроотрицательности. Примерами таких соединений являются соединения металлов первой или второй групп периодической системы с неметаллами седьмой группы.

С помощью ионной связи также образуются и более сложные ионные соединения: щелочи, соли, у которых сложный анион (например, гидроксид OH^–, нитрат,NO₃^–, сульфат SO₄^2–).

При обычных условиях большинство ионных соединений находится в твердом состоянии.

При определенных условиях ионные соединения распадаются на ионы.

Обычно ионные соединения легко отличить по двум признакам: высокая температура плавления и хорошая растворимость в воде.

Почему ионные соединения хорошо растворимы в воде?

Вспомните, как говорили алхимики: подобное растворяется в подобном.

Молекула воды сильно полярна, и поэтому ионы в составе ионного соединения ассоциируются с молекулами воды, при этом молекулы воды как бы «облепляют» ионы растворённого вещества, образуются водородные связи.

Понятно, что данная схема отображает состояние ионов в растворе приблизительно, чтобы вы поняли суть процесса растворения вещества с ионной связью.

При диссоциации ионной связи энергия поглощается, а при образовании водородных связей – выделяется. Однако поскольку водородная связь намного слабее ковалентной и тем более слабее ионной, выделяется энергии гораздо меньше, чем поглощается.

Диссоциация – разделение в пространстве положительных и отрицательных ионов без разрыва химической связи (т.е. с сохранением общей электронной пары, которая становится принадлежащей одному атому).

Поэтому при растворении абсолютного большинства ионных соединений в воде поглощается энергия, проще говоря, раствор охлаждается.

Ионы в природе существуют вокруг нас.

Много разнообразных ионов в морской воде, прибрежный воздух также ионизирован и поэтому весьма полезен для здоровья.

Однако ионы химически активны, и результатом их взаимодействия часто бывают негативные явления, например, кислотные дожди.

Также ионы играют большую роль в процессах обмена веществ в живых организмах, при этом отклонение концентрации ионов в тканях в обе стороны губительно сказывается на этих процессах.

Ионную связь можно рассматривать как предельный случай полярности ковалентной связи.

Однако чисто ионной связи практически не существует.

Отсюда деление химической связи на типы (ковалентная и ионная) также условно.