Виды химической связи

Под химической связью понимают взаимодействие между атомами, в результате которого образуются молекулы и твердые тела. Химическая связь осуществляет­ся посредствам электронов, находящихся на внешних, не полностью занятых электронных оболочках. Эти электроны называют валентными. Независимо от при­роды сил, возникающих при сближении частиц, характер взаимодействия между атомами остается одинаковым (рис.1):

р ис. 1.

на относительно больших расстояниях появляются силы притяжения F_пр, быстро увеличивающиеся с уменьшением рас­стояния х между частицами (кривая 1); на небольших расстояниях возникают силы отталкивания F_от, которые с уменьшением расстояния увеличиваются гораз­до быстрее, чем F_пр (кривая 2). На расстоянии х - r₀ силы отталкивания уравнове­шивают силы притяжения и результирующая сила взаимодействия F обращает­ся в нуль (кривая 3). Состояние частиц, сближенных на расстояние r₀, является состоянием равновесия.

Существует несколько видов химических связей.

К овалентиая связь (гомеополярная) возникает в результате перекрытия электронных облаков от­дельных атомов при их сближении, вследствие чего возрастает плотность отри­цательного заряда в межъядерном пространстве, что приводит к появлению сил притяжения, уравновешивающих силы взаимного отталкивания между ядрами. Перекрытие электронных оболочек сближающихся атомов приводит к обобществ­лению электронов. В этом случае уже нельзя говорить о принадлежности электро­на одному из атомов: электроны принадлежат одновременно нескольким атомам, образующим молекулу или твердое тело. Подобным образом создается молекула водорода: в разъединенных атомах водорода s-орбиты имеют сферическую симмет­рию с антипараллельной ориентацией спинов. При объединении атомов в моле­кулу образуется структура, показанная на рис. 2.

рис. 2.

В зависимости от того, симметричную или асимметричную структуру имеют мо­лекулы, они могут быть неполярными и полярными. В неполярных молекулах центры положительных и отрицательных зарядов совпадают (рис. 3, а), в поляр­ных они находятся на некотором расстоянии l друг от друга (рис. 3, б), в резуль­тате чего образуется диполь, характеризующийся дипольным моментом т = ql (q — заряд электрона).

рис. 3.

Ковалентная связь типична для органических молекул. Вместе с тем, она может иметь место и в твердых веществах. Примером могут служить атомы алмаза, крем­ния и германия, которые входят в четвертую группу периодической системы элементов. Они имеют валентность, равную четырем, и в твердом теле образуют структуру, в которой каждый атом связан ковалентными связями с четырьмя бли­жайшими своими соседями (рис. 3, в). В такой структуре происходит обобще­ствление валентных электронов, при котором каждый атом оказывается окружен­ным восемью обобществленными электронами. Такая связь характеризуется очень высокой прочностью.

М еталлическая связь возникает между атомами с небольшим числом валентных электронов, что характерно для металлов. При сближении таких атомов, как и при ковалентной связи, происходит перекрывание электронных оболочек и обобще­ствление валентных электронов с той лишь разницей, что обобществленные элек­троны не локализуются вблизи своих атомов, а свободно перемещаются между атомами, образуя «электронный газ». При этом атомы, отдавшие свои электроны, превращаются в положительные ионы, силы отталкивания между которыми урав­новешиваются силами притяжения между ионами и электронами. В результате такой связи образуется кристаллическая структура, в которой атомы металла на­ходятся на строго определенном расстоянии друг от друга в среде коллективизи­рованных электронов (рис. 4).

рис. 4.

Ионная связь (гетерополярная) возникает между атомами металлов, имеющими на внешней орбите один электрон, и атомами металлоидов, имеющими на внешней орбите семь элек­тронов. В этом случае при сближении атомов происходит переход валентных электронов от металлического атома к металлоидному атому, в результате чего образуются разноименные ионы, между которыми возникает электростатическое притяжение. Весь монокристалл ионного соединения можно считать одной гигантской молекулой.

Так происходит, например, образование кристаллов хлористого натрия (NaCl). В таких кристаллах каждый ион связан с шестью ионами противоположного зна­ка, в результате чего образуется структура, показанная на рис. 5.

р ис. 5.

Молекулярная связь (Ван-дер-Ваальса) возникает между молекулами с ковалентным характером внутримолекулярного взаимодействия.

Межмолекулярное притяжение возникает при согласованном движении валентных электронов в соседних молекулах, то есть таком движении, когда в любой момент времени электроны соседних молекул максимально удалены друг от друга и макси­мально приближены к положительным зарядам ядер соседних молекул (рис. 6). Тогда силы притяжения валентных электронов ядром соседней молекулы оказыва­ются сильнее сил взаимного отталкивания электронов оболочек этих молекул. За счет молекулярных связей образуется твердое состояние инертных газов, водорода, кислорода, азота. Молекулярная связь легко разрушается тепловым движением, поэтому молекулярные кристаллы обладают низкими температурами плавления (для парафина Т_пл = 50-52 ^оС).

р ис. 6.