Тема «Химическая связь - Центр Образования № 224

Тема «Химическая связь»
Теория
Химическая связь - межатомное взаимодействие, обусловленное
перекрыванием внешних электронных оболочек атомов сопровождающееся
понижением общей энергии образовавшейся системы.
Различают
следующие
виды
химической
связи:
ковалентная (полярная
и
неполярная),
ионная,
водородная и металлическая.
Химическая связь может образовываться путем предоставления от
каждого из атомов по одному или нескольким неспаренным электронам
(кратные связи) с образованием электронных пар (ковалентная связь), либо
при доминировании одним атомом электронной пары, а другим атомом
вакантной электронной орбитали (донорно-акцепторная связь). В
образовании химической связи участвуют только электроны внешней
электронной оболочки, а внутренние электронные уровни не затрагиваются.
В результате, при образовании химической связи у каждого атома
образуется заполненная электронная оболочка внешнего электронного
уровня, состоящая из двух (дуплет) или восьми (октет) электронов, как у
ближайшего инертного газа. Химическая связь характеризуется длиной и
энергией. Длина химической связи это расстояние между ядрами связанных
атомов. Энергия химической связи показывает сколько необходимо
затратить энергии на разведение двух атомов, между которыми существует
химическая связь, на расстояние, при котором эта химическая связь будет
разорвана.
Возникновение химической связи и изменение энергии, происходящие
при этом, можно описать следующей моделью. Первоначально атомы
разведены на большое расстояние и энергия их взаимодействия близка к
нулю. При сближении атомов между ними возникает слабое
взаимодействие. Когда межъядерное расстояние становится сравнимым с
радиусами электронных оболочек атомов, между атомами возникают два
конкурирующих процесса. С одной стороны происходит взаимное
притяжение между разноименно заряженными ядрами одного атома и
электронами другого атома, а с другой стороны происходит взаимное
отталкивание между одноименно заряженными ядрами и электронными
оболочками обоих атомов. На определенном расстоянии силы отталкивания
и притяжения между двумя атомами выравниваются, наблюдается минимум
потенциальной энергии образовавшейся системы из двух атомов и
происходит образование химической связи.
КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ
Осуществляется за счет электронной пары, принадлежащей обоим
атомам. Различают обменный и донорно-акцепторный механизм
образования ковалентной связи.
1)
Обменный механизм. Каждый атом дает по одному неспаренному
электрону в общую электронную пару:
H• + •H H : H

Донорно-акцепторный механизм.
Механизм образования такой связи заключается в том, что
собственная электронная пара одного атома (донора) переходит в общее
пользование донора и другого атома, который предоставляет свободную
орбиталь (акцептора). Такой тип связи хорошо иллюстрирует образование
иона аммония . Атом азота предоставляет по одному электрону трем
атомам водорода для образования ковалентной связи. При этом у азота
остается собственная неподеленная электронная пара, которую он может
предоставить для образования связи с ионом водорода, у которого нет
электрона, но есть незаполненный электронный уровень. В качестве
доноров электронных пар обычно выступают атомы с большим количеством
электронов, но имеющие небольшое число неспаренных электронов.
Например: азот, кислород, фосфор, сера.
2)

Рис. Механизм образования донорно-акцепторной связи на примере иона аммония NH-4
Кроме этого два атома могут обобществлять неcколько пар электронов.
В этом случае говорят о кратных связях:
(или N≡N) – тройная связь
Так, в молекуле азота N2 два атома азота соединены тремя
ковалентными неполярными связями.
Если электронная плотность расположена симметрично между
атомами, ковалентная связь называется неполярной.
Если электронная плотность смещена в сторону одного из атомов, то
ковалентная связь называется полярной.
Полярность
связи
тем
больше,
чем
больше
разность
электроотрицательностей атомов.
Электроотрицательность - это способность атома притягивать
электронную плотность от других атомов. Самый электроотрицательный
элемент - фтор, самый электроположительный - франций.
ИОННАЯ СВЯЗЬ
Ионная химическая связь — это связь, образовавшаяся за счет
электростатического притяжения катионов к анионам.
Ионы - это заряженные частицы, в которые превращаются атомы в
результате отдачи или присоединения электронов.
®
Рис. Схема ионной связи во фториде натрия.
Фторид натрия состоит из ионов натрия Na+ и фторид-ионов F-.
Как вы знаете, наиболее устойчивой является такая электронная
конфигурация атомов, при которой на внешнем электронном уровне,
подобно атомам благородных газов, будет находиться 8 электронов (или для
первого энергетического уровня — 2). При химических взаимодействиях
атомы стремятся приобрести именно такую устойчивую электронную
конфигурацию и часто достигают этого или в результате присоединения
валентных электронов от других атомов (процесса восстановления), или в
результате отдачи своих валентных электронов (процесса окисления).
Атомы,
присоединившие
«чужие»
электроны,
превращаются
в
отрицательные ионы, или анионы. Атомы, отдавшие свои электроны,
превращаются в положительные ионы, или катионы. Понятно, что между
анионами и катионами возникают силы электростатического притяжения,
которые и будут удерживать их друг около друга, осуществляя тем самым
ионную химическую связь.
Так как катионы образуют в основном атомы металлов, а анионы —
атомы неметаллов, логично сделать вывод, что этот тип связи характерен
для соединений типичных металлов (элементы главных подгрупп I и II групп,
кроме магния и бериллия Ве) с типичными неметаллами (элементы главной
подгруппы VII группы). Классическим примером является образование
галогенидов щелочных металлов (фторидов, хлоридов и др.). Например,
рассмотрим
схему
образования
ионной
связи
в
хлориде
натрия:
Два разноименно заряженных иона, связанные силами притяжения, не
теряют способности взаимодействовать с противоположно заряженными
ионами, вследствие чего образуются соединения с ионной кристаллической
решеткой. Ионные соединения представляют собой твердые, прочные,
тугоплавкие
вещества
с
высокой
температурой
плавления.
Растворы и расплавы большинства ионных соединений —
электролиты. Такой тип связи характерен для гидроксидов типичных
металлов и многих солей кислородсодержащих кислот. Однако при
образовании ионной связи не происходит идеального (полного) перехода
электронов. Ионная связь является крайним случаем ковалентной полярной
связи.
В ионном соединении ионы представлены как бы в виде электрических
зарядов со сферической симметрией электрического поля, одинаково
убывающего с увеличением расстояния от Центра заряда (иона) в любом
направлении. Поэтому взаимодействие ионов не зависит от направления, то
есть ионная связь, в отличие от ковалентной, будет ненаправленной.
Ионная связь существует также в солях аммония, где нет атомов
металлов (их роль играет катион аммония).
МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
Металлическая связь характерна только для металлов и их сплавов.
Атомы металла образуют остов, каркас кристаллической решетки.
Электроны металлов, имеющих малое количество валентных электронов и
их достаточно слабую связь с ядром, способны легко от них отрываться,
образуя так называемый электронный газ. В результате атомы металла,
находящиеся в узлах кристаллической решетки имеют положительный
заряд, а оторвавшиеся валентные электроны свободно перемещаются
между узлами решетки и связывают ионы металла. В свою очередь,
положительно заряженные ионы металла не позволяют рассеиваться
электронам за пределы кристаллической решетки. Наличие свободных
подвижных электронов обуславливает такие свойства металлов как высокая
электро- и теплопроводность. Пластичность металлов объясняется тем, что
при деформации происходит смещение ионов металла относительно друг
друга без разрыва связи. Также металлическая связь сохраняется не только
в кристаллах, но и в расплавах металлов.
Рис. Схема металлической связи.
Связь в металлах и сплавах, которую выполняют относительно
свободные электроны между ионами металлов в металлической
кристаллической
решетке,
называют
металлической.
Такая связь ненаправленная, ненасыщенная, характеризуется небольшим
числом валентных электронов и большим числом свободных орбиталей, что
характерно для атомов металлов. Схема образования металлической связи
(М — металл):
_
0
М — nе <-> Мn+
Наличием металлической связи обусловлены физические свойства
металлов и сплавов: твердость, электрическая проводимость и
теплопроводность, ковкость, пластичность, металлический блеск. Вещества
с металлической связью имеют металлическую кристаллическую решетку. В
ее узлах находятся ионы или атомы металла, между которыми свободно (в
пределах кристалла) перемещаются электроны («электронный газ»).
ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ
Водородная связь - это связь между положительно заряженным
атомом водорода одной молекулы (части молекулы) и отрицательно
заряженным атомом другой молекулы (другой части молекулы).
Рис. Водородная связь между молекулами воды и уксусной кислоты (водородная
связь указана точками)
Рис.Водородная связь между молекулами воды
Данный вид связи лишь условно можно назвать химической
и
правильней ее отнести к межмолекулярному и внутримолекулярному
взаимодействию. Водородная связь возникает между связанным атомом
водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом другой
молекулы. В молекуле воды атом кислорода смещает на себя электронную
плотность приобретая частичный отрицательный заряд, а водород
соответственно - частично положительный и может взаимодействовать с
неподеленной электронной парой кислорода соседней молекулы.
Водородная связь может возникать не только между разными
молекулами, но и внутри самой молекулы. Благодаря внутримолекулярной
водородной связи возможно образование спиральной структуры ДНК. Вандер-ваальсово
взаимодействие
может
быть
притягивающим
и
отталкивающим. Межмолекулярное взаимодействие носит характер
притяжения, а внутримолекулярное - отталкивания. Внутримолекулярное
вандер-ваальсово взаимодействие оказывает существенный вклад в
геометрию молекулы. Так, вам известно, что благодаря водородным связям
между полинуклеатидами, молекула ДНК имеет вид двойной спирали.
Рис. Структура молекулы ДНК.
Вопросы к зачету по теме «Химическая связь»
1. Ионный характер связи наиболее выражен в соединении
1) ССl4
2) Si02
3) СаВг2
4) NH3
2. Путем соединения атомов одного и того же химического элемента
образуется связь
1) ионная
2) ковалентная полярная
3) ковалентная неполярная
4) водородная
3. В каком ряду записаны формулы веществ только с ковалентной полярной
связью?
1) Cl2, NH3, HC1
2) HBr, NO, Br2
3) H2S, Н20, S8
4) HI, H20, PH3
4. Установите соответствие между веществом и видом связи атомов в этом
веществе.
НАЗВАНИЕ ВЕЩЕСТВА
А) цинк
Б) азот
В) аммиак
Г) хлорид кальция
5.
ВИД СВЯЗИ
1)ионная
2) металлическая
3) ковалентная полярная
4) ковалентная неполярная
Легче всего присоединяет электроны атом
1) серы
2) селена
3)хлора
4)брома
6. Соединением с ковалентной неполярной связью является
1)НСl
2)02
3)СаСl2
4)Н20
7. Водородная связь образуется между молекулами
1)С2Н6
2)С2Н5ОН
3)СН3ОСН3
4)СН3СОСН8
8. В каком ряду все вещества имеют ковалентную полярную связь?
1) НСl, NaCl, Сl2
2) 02, Н20, С02
3) Н20, NH3, CH4
4) NaBr, HBr, CO
9. Установите соответствие между видом связи в веществе и формулой
химического вещества
ФОРМУЛА СОЕДИНЕНИЯ
1)
Н2
2)
Ва
3)
HF
4)
BaF2
ВИД СВЯЗИ
а) ионная
б) металлическая
в) ковалентная полярная
г) ковалентная неполярная