Ковалентная неполярная и полярная, ионная, металлическая и водородная связь; атомные, молекулярные, ионные и металлические кристаллические решётки
Природа химической связи
Химической связью называют взаимодействие атомов, приводящее к образованию молекул, ионов, кристаллов, то есть к объединению атомов в более сложные устойчивые частицы. Причина возникновения связи — стремление атомов к энергетически более выгодному, устойчивому состоянию, которое достигается за счёт приближения электронной конфигурации внешнего уровня к завершённой (устойчивой) конфигурации ближайшего благородного газа — эта идея называется правилом октета (для большинства элементов устойчива восьмиэлектронная внешняя оболочка, для водорода и гелия — двухэлектронная). Достигается это разными способами: обобществлением электронных пар, полным переходом электронов от одного атома к другому или обобществлением электронов сразу многими атомами — отсюда различают несколько основных типов химической связи.
Ковалентная связь и механизм её образования
Ковалентной связью называют связь, образованную за счёт образования одной или нескольких общих электронных пар между атомами. Чаще всего такая пара образуется по обменному механизму: каждый из двух атомов предоставляет в общее пользование по одному неспаренному электрону, и их спины становятся антипараллельными, образуя связывающую электронную пару, которая одновременно притягивается к обоим ядрам и удерживает атомы вместе.
Возможен и другой механизм — донорно-акцепторный: один атом (донор) предоставляет готовую неподелённую электронную пару, а другой атом или ион (акцептор) предоставляет свободную орбиталь; образованная таким способом связь по своим свойствам абсолютно неотличима от связи, возникшей по обменному механизму. Классический пример — образование иона аммония:
Здесь атом азота предоставляет неподелённую электронную пару (донор), а ион водорода H⁺ — свободную 1s-орбиталь (акцептор); в результате в ионе NH₄⁺ все четыре связи N–H равноценны, хотя образовались разными путями.
Ковалентная неполярная и полярная связь
Если ковалентная связь образована атомами одного и того же элемента (одинаковая электроотрицательность), общая электронная пара расположена симметрично между ядрами — такая связь называется ковалентной неполярной. Примеры: H₂, Cl₂, N₂, O₂, простые вещества-неметаллы. Если же связь образована атомами разных элементов с различающейся электроотрицательностью, общая электронная пара смещается к более электроотрицательному атому — такая связь называется ковалентной полярной: на более электроотрицательном атоме возникает частичный отрицательный заряд δ⁻, на менее электроотрицательном — частичный положительный заряд δ⁺. Пример — молекула хлороводорода:
Чем больше разность электроотрицательностей атомов, тем сильнее полярность связи, тем больше эффективные заряды на атомах и тем ближе связь по своей природе приближается к ионной. Резкой границы между ковалентной полярной и ионной связью нет — это непрерывный переход, и условно считают, что при разности электроотрицательностей более 1,7–2,0 по шкале Полинга связь можно считать преимущественно ионной.
По числу общих электронных пар различают одинарные, двойные и тройные ковалентные связи (кратность связи); с увеличением кратности связь становится короче и прочнее — например, тройная связь N≡N значительно прочнее одинарной связи N–N, что объясняет химическую инертность молекулярного азота при обычных условиях.
Ионная связь
Ионная связь — предельный случай сильно полярной ковалентной связи, возникающий между атомами с очень большой разностью электроотрицательностей (типично — между типичным металлом и типичным неметаллом). При образовании такой связи происходит практически полный переход одного или нескольких электронов от атома металла к атому неметалла: металл превращается в положительно заряженный катион, неметалл — в отрицательно заряженный анион, и между разноимённо заряженными ионами возникает электростатическое (кулоновское) притяжение.
В кристалле NaCl ион Na⁺ отдал единственный электрон внешнего уровня, приобретя устойчивую конфигурацию неона, а ион Cl⁻ принял этот электрон, приобретя устойчивую конфигурацию аргона. Важно понимать, что ионная связь ненаправленна и ненасыщаема: каждый ион в кристалле притягивает к себе одновременно несколько противоположно заряженных ионов со всех сторон, поэтому ионные соединения существуют не в виде отдельных молекул, а в виде гигантских ионных кристаллов.
Металлическая связь
В кристаллах металлов атомы имеют мало валентных электронов и много свободных валентных орбиталей, поэтому валентные электроны слабо удерживаются своими атомами, отрываются от них и образуют общий, подвижный по всему кристаллу «электронный газ», который свободно перемещается между узлами решётки, занятыми положительно заряженными ионами (катионами) металла. Электростатическое притяжение между этим обобществлённым электронным газом и катионами металла в узлах решётки называется металлической связью.
Именно наличием свободно перемещающихся электронов объясняются характерные физические свойства металлов: высокая электро- и теплопроводность (электроны свободно переносят заряд и энергию), металлический блеск (свободные электроны отражают свет), пластичность и ковкость (при сдвиге слоёв ионов связь между ними не разрывается, так как электронный газ продолжает удерживать решётку в целом, в отличие от ионных кристаллов, которые при сдвиге слоёв разрушаются из-за отталкивания одноимённых ионов).
Водородная связь
Водородной связью называют особый, сравнительно слабый вид межмолекулярного (реже — внутримолекулярного) взаимодействия, возникающий между атомом водорода, связанным ковалентной полярной связью с сильно электроотрицательным атомом (F, O, N), и неподелённой электронной парой другого сильно электроотрицательного атома (обычно в соседней молекуле). Из-за малого размера и практически отсутствия собственной электронной оболочки атом водорода с сильным δ⁺-зарядом способен глубоко подходить к неподелённой паре соседнего электроотрицательного атома, создавая дополнительное электростатическое притяжение.
Энергия водородной связи (обычно 10–40 кДж/моль) значительно меньше энергии ковалентной связи (200–800 кДж/моль), но заметно больше энергии обычных межмолекулярных (ван-дер-ваальсовых) взаимодействий. Водородные связи между молекулами воды объясняют аномально высокие температуры плавления и кипения воды по сравнению с водородными соединениями других элементов VIA группы (H₂S, H₂Se, H₂Te), а также объясняют существование двойной спирали ДНК (водородные связи между азотистыми основаниями) и особую структуру льда.
Кристаллические решётки: общее понятие
Подавляющее большинство твёрдых веществ имеет кристаллическое строение — их частицы (атомы, ионы или молекулы) расположены в пространстве строго упорядоченно, образуя кристаллическую решётку. Точки, в которых расположены частицы, называют узлами решётки. Тип частиц, находящихся в узлах, и характер связи между ними определяют физические свойства вещества — твёрдость, температуру плавления, растворимость, электропроводность. По этому признаку различают четыре основных типа кристаллических решёток.
Атомная кристаллическая решётка
В узлах атомной кристаллической решётки находятся отдельные атомы, связанные между собой прочными ковалентными связями, причём каждый атом связан ковалентными связями с несколькими соседними атомами так, что весь кристалл представляет собой, по сути, одну гигантскую молекулу. Классические примеры — алмаз (каждый атом углерода связан с четырьмя соседними прочными σ-связями) и кристаллический кремний, кварц (SiO₂). Вещества с атомной решёткой отличаются очень высокой твёрдостью, чрезвычайно высокими температурами плавления, нерастворимостью в воде и обычно являются диэлектриками (кроме графита, обладающего особым строением).
Молекулярная кристаллическая решётка
В узлах молекулярной кристаллической решётки находятся отдельные молекулы, удерживаемые друг относительно друга слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса, а иногда и водородными связями), тогда как внутри самих молекул атомы связаны прочными ковалентными связями. Примеры: лёд (H₂O), сухой лёд (CO₂), кристаллический йод I₂, нафталин, большинство твёрдых органических веществ. Такие вещества, как правило, мягкие, легкоплавкие и летучие (низкие температуры плавления и кипения), многие возгоняются (сублимируют), не проводят электрический ток.
Ионная и металлическая кристаллические решётки
В узлах ионной кристаллической решётки чередуются положительно и отрицательно заряженные ионы, удерживаемые прочными электростатическими силами притяжения (типичный пример — NaCl, KCl, большинство солей и оснований, а также многие оксиды металлов). Такие вещества твёрдые, но хрупкие, имеют высокие температуры плавления, не проводят ток в твёрдом состоянии, но становятся проводниками в расплаве или в водном растворе за счёт подвижности ионов. В узлах металлической кристаллической решётки находятся атом-ионы металлов, погружённые в обобществлённый электронный газ; такие вещества проводят электрический ток в твёрдом состоянии, пластичны, обладают металлическим блеском.
| Тип решётки | Частицы в узлах | Тип связи между узлами | Характерные свойства |
|---|---|---|---|
Атомная | атомы | ковалентная | очень высокая твёрдость и t°пл, диэлектрик |
Молекулярная | молекулы | силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи | низкая твёрдость и t°пл, летучесть |
Ионная | катионы и анионы | ионная (электростатическая) | высокая t°пл, хрупкость, проводимость в расплаве/растворе |
Металлическая | атом-ионы металла | металлическая | пластичность, электро- и теплопроводность, блеск |
Пример 1: определение типа связи и решётки
Условие. Определите тип химической связи и тип кристаллической решётки в следующих веществах: а) оксид кремния(IV) SiO₂; б) хлорид кальция CaCl₂; в) алюминий Al; г) кристаллический йод I₂.
Решение. а) SiO₂ образован атомами кремния и кислорода (оба неметаллы, значительная, но не предельная разность электроотрицательностей) — связь ковалентная полярная, решётка атомная (кварц — гигантская трёхмерная сетка ковалентных связей Si–O), отсюда чрезвычайно высокая твёрдость и температура плавления (~1710 °C). б) CaCl₂ образован типичным металлом (Ca) и типичным неметаллом (Cl) с большой разностью электроотрицательностей — связь ионная, решётка ионная. в) Al — простое вещество-металл — связь металлическая, решётка металлическая. г) I₂ — простое вещество-неметалл, атомы одинаковой электроотрицательности связаны ковалентной неполярной связью внутри молекулы, а сами молекулы I₂ удерживаются в кристалле слабыми межмолекулярными силами — решётка молекулярная, отсюда легкость возгонки йода.
Типичные ошибки
Частая ошибка — путать тип связи внутри молекулы с типом связи (взаимодействия) между молекулами в кристалле: например, в твёрдом CO₂ (сухом льду) связи C=O внутри молекулы ковалентные полярные, но решётка кристалла — молекулярная, так как между молекулами действуют только слабые межмолекулярные силы. Другая ошибка — считать любую связь между металлом и неметаллом ионной: если разность электроотрицательностей не очень велика (например, в хлориде алюминия AlCl₃ или во многих соединениях переходных металлов с неметаллами), связь может быть преимущественно ковалентной полярной. Также часто путают понятия «полярная молекула» и «полярная связь» — молекула может содержать полярные связи, но быть в целом неполярной из-за симметричного взаимного расположения этих связей (например, CO₂ линейна и неполярна, хотя связи C=O полярны).
Краткий словарь терминов
Ковалентная связь — связь, образованная одной или несколькими общими электронными парами атомов.
Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общую электронную пару в химической связи.
Ионная связь — связь между противоположно заряженными ионами, возникающая за счёт электростатического притяжения.
Металлическая связь — связь между катионами металла в узлах решётки, осуществляемая обобществлёнными («свободными») электронами.
Водородная связь — слабое электростатическое взаимодействие между атомом водорода при сильно электроотрицательном элементе и неподелённой парой другого электроотрицательного атома.
Кристаллическая решётка — упорядоченное пространственное расположение частиц (атомов, ионов, молекул) в твёрдом веществе.
Заключение
Тип химической связи между атомами и тип кристаллической решётки, которую образует вещество, неразрывно связаны и во многом определяют весь набор физических и химических свойств вещества — твёрдость, температуру плавления, электропроводность, растворимость. Умение по формуле вещества и положению его элементов в Периодической системе определить характер связи и тип решётки — важный практический навык, который потребуется и при изучении следующей темы — валентности и степеней окисления элементов, тесно связанных с механизмом образования химических связей.
