5.3. Металлическая связь

Особый тип решетки в твердом состоянии образуют металлы. В узлах такой металлической кристаллической решетки находятся катионы металлов, а между ними – отрицательно заряженный «электронный газ». Атомы металлов в решетке упакованы так тесно, что валентные орбитали соседних атомов перекрываются, и электроны получают возможность свободно перемещаться из орбиталей одного атома в орбитали других атомов, осуществляя связь между всеми атомами данного кристалла металла. Лишенные валентных электронов, атомы превращаются в катионы, а электроны, осуществляющие связь, перемещаются по всему кристаллу металла и становятся общими.

Химическая связь, которая осуществляется электронами, принадлежащими всем атомам одновременно, называется металлической связью.

Металлическая связь характерна для металлов в твердом и жидком состоянии и имеет некоторое сходство с ковалентной, поскольку в ее основе также лежит обобществление валентных электронов. Однако при образовании ковалентной связи эти электроны находятся вблизи соединенных атомов и прочно с ними связаны, тогда как при металлической связи электроны свободно перемещаются по всему кристаллу и принадлежат всем его атомам. Именно поэтому кристаллы с ковалентной связью хрупки, а с металлической  пластичны, т.е. без разрушения изменяют форму, прокатываются в листы, вытягиваются в проволоку. Наличие свободных электронов придает кристаллам металлов непрозрачность, высокую электрическую проводимость, теплопроводность.

5.4. Водородная связь

В некоторых случаях происходит образование особой формы химической связи, называемой водородной связью. Она менее прочна, чем уже рассмотренные виды, и может считаться дополнительной связью к уже существующим ковалентным связям.

Водородная связь возникает между атомом водорода в соединении и сильно электроотрицательным элементом с малыми размерами  фтором, кислородом, азотом, иногда  с хлором и серой. Водородную связь обозначают тремя точками , подчеркивая тем самым ее сравнительную слабость (примерно в 15-20 раз слабее ковалентной).

Например, атомы водорода и кислорода в соседних молекулах воды связаны между собой водородной связью:

Общая электронная пара, образующая связь Н  О, сильно смещена от атома Н в сторону значительно более электроотрицательного атома О. Положительный заряд, возникающий на атоме Н, сконцентрирован в малом объеме и может взаимодействовать с неподеленной электронной парой атома О соседней молекулы. Однако водородную связь нельзя сводить только к электростатическому притяжению. Более правильно считать, что в образование водородной связи вносит существенный вклад донорно-акцепторное взаимодействие между неподеленной парой атома О соседней молекулы воды и полупустой орбиталью атома Н, из которой единственный электрон сильно смещен в сторону атома О. В пользу этого механизма говорит тот факт, что для водородной связи, как и для ковалентной, характерны направленность в пространстве и насыщаемость.

Несмотря на сравнительную непрочность водородных связей, их присутствие сказывается как на физических, так и на химических свойствах веществ. В частности, она отвечает за ассоциацию молекул. Наличием водородных связей объясняется более высокая температура кипения воды по сравнению с аналогичными водородными соединениями других элементов подгруппы кислорода  серы, селена и теллура (Н₂S, H₂Se, H₂Te), которые в силу большего радиуса атома (S, Se, Te) не образуют водородных связей. Если бы не было водородных связей между молекулами воды, вода имела бы температуру плавления около 100⁰C и температуру кипения около 80⁰C. Повышенные температуры плавления и кипения объясняются необходимостью затраты дополнительной энергии на разрушение водородных связей. В твердом состоянии (в виде льда) молекулы воды связаны между собой большим количеством водородных связей, поэтому образуется далекая от плотной упаковки структура; при переходе в жидкое состояние часть связей разрушается, что сближает молекулы, поэтому вода немного плотнее льда.

Пример 1. Определите, какие химические связи присутствуют в молекуле серной кислоты, сравните их прочность, укажите валентность и степень окисления атома серы.