§ 13. Природа и типы химической связи

Любое химическое соединение — молекулу (CO₂), кристалл (NaCl), сложный ион () — с точки зрения электронного строения можно представить в виде системы, состоящей из атомных ядер и связывающих их электронов. Взаимодействие, которое делает эту систему устойчивой, называют химической связью.

Химическая связь — это взаимодействие, в результате которого отдельные атомы объединяются в более сложные системы (молекулы, кристаллы, ионы и др.).

Химическая связь обусловлена действием сил притяжения и отталкивания между положительно заряженными ядрами и отрицательно заряженными электронами, то есть имеет электростатическую природу.

Электроны, которые принимают участие в образовании химических связей, называют валентными. Это электроны внешних электронных оболочек атомов.

Рассмотрим, как и почему образуется химическая связь.

Основным условием образования химической связи является понижение полной энергии системы ядер и электронов по сравнению с энергией изолированных атомов.

Уменьшение полной энергии системы ядер и электронов достигается в результате совместного использования электронов разными атомами. В зависимости от того, как в результате распределена электронная плотность, различают три типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Механизмы образования этих связей вы уже рассматривали при изучении химии в 8–10-х классах. Здесь мы дополним понятие химической связи представлениями о состоянии электронов в атоме.

Ковалентная связь

Ковалентная связь — это химическая связь, образованная общими (связывающими) электронными парами. Её называют локализованной, так как общая пара электронов размещается (локализуется) между двумя ядрами. Это заставляет положительно заряженные ядра притягиваться к паре электронов, расположенной между ядрами. Такая связь возникает между атомами с одинаковыми или близкими значениями электроотрицательности. Как правило, это атомы неметаллов.

Появление пары электронов, связывающей соседние атомы, можно представить двумя способами, то есть существует два механизма образования ковалентной связи — обменный и донорно-акцепторный.

Обменный механизм объясняет образование общей электронной пары из неспаренных валентных электронов, принадлежащих разным атомам. При этом электроны, образующие общую пару, должны иметь противоположные (антипараллельные) спины. Перекрывание двух электронных облаков приводит к увеличению электронной плотности между ядрами:

В образовании ковалентной связи могут участвовать s-, p- и d-электронные облака. Например, в связывании атомов хлора и водорода в молекуле H—Сl участвуют 1s-электрон атома водорода и неспаренный 3p-электрон атома хлора (рис. 24).

Каждый из связанных в общую электронную пару атомов приобретает электронную конфигурацию благородного газа: водород — гелия 1s², а хлор — аргона 1s²2s²2р⁶3s²3р⁶. В результате оба атома достигают наиболее устойчивой электронной конфигурации.

Ещё один пример — образование связей в молекуле аммиака NH₃. У атома азота согласно электронно-графической схеме есть три неспаренных электрона: ₇N , у атома водорода — один . Эти электроны участвуют в образовании трёх ковалентных связей по обменному механизму с атомами водорода: или

Отметим, что одновременно с этим у азота на 2s-орбитали остаётся неподелённая электронная пара — пара электронов, не принимающая участия в образовании химических связей.

Обменным механизмом объясняют образование ковалентной связи в подавляющем большинстве молекул органических и неорганических веществ, в атомных кристаллах алмаза C, красного фосфора P, карборунда SiC, кварца SiO₂ и др.

Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи предполагает образование общей пары электронов за счёт передачи неподелённой электронной пары от одного атома (донора) на вакантную атомную орбиталь другого (акцептора). В качестве примера рассмотрим образование химической связи в катионе аммония  при протекании реакции:

(хлорид аммония)

или в ионном виде:

(ион аммония).

Это взаимодействие можно представить электронными формулами:

При взаимодействии молекулы с катионом водорода , у которого на 1s-орбитали нет электронов, неподелённая пара электронов азота размещается на свободной 1s-орбитали иона водорода. В результате образуется катион аммония с четырьмя ковалентными связями:

Так как молекула аммиака электронейтральна, а присоединённый к ней ион имеет заряд «+», то образовавшийся катион аммония также имеет положительный заряд. Этот заряд принадлежит целому иону, а не отдельному атому, поэтому в структурной формуле знак заряда иона ставят за квадратной скобкой: Если мы хотим подчеркнуть механизм образования связи, то можно стрелкой указать направление смещения электронной пары от донора к акцептору: Но делать это необязательно, так как все связи в молекуле, независимо от механизма их образования, являются равноценными.

Аналогичным образом можно представить образование химической связи в катионе гидроксония H₃O⁺: в результате гидратации иона водорода в водных растворах неподелённая электронная пара атома кислорода в молекуле воды размещается на свободной 1s-орбитали иона водорода.

Донорно-акцепторным механизмом объясняют образование ковалентной связи в молекулах угарного газа , азотной кислоты и др.

Ионная связь

Ионная связь — это химическая связь, которая образуется в результате электростатического притяжения противоположно заряженных ионов.

В случае ковалентной связи валентные электроны, участвующие в её образовании, локализованы между двумя связанными атомами. При образовании ионной связи электроны, напротив, считаются полностью перешедшими от одного атома к другому. В результате такого перехода электронов образуются ионы.

Образование ионов в кристаллах хлорида натрия представим, исходя из электронной конфигурации атомов натрия и хлора, следующим образом:

₁₁Na 1s²2s²2p⁶3s¹ – e^– → ₁₁Na⁺ 1s²2s²2p⁶ (или Na – e^– → Na⁺),

в сокращённом виде [Ne]3s¹ – e^– → [Ne];

₁₇Cl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵ + e^– → ₁₇Cl^– 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ (или Cl + e^– → Cl^–),

в сокращённом виде [Ne]3s²3p⁵ + e^– → [Ar].

Образующиеся ионы приобретают конфигурацию ближайшего благородного газа с октетом электронов на внешнем слое ns²nр⁶.

Переход электронов можно показать и с помощью электронных формул:

Из приведённых схем следует, что валентный электрон атома натрия полностью переходит на валентную оболочку атома хлора. Это приводит к возникновению ионов с противоположными зарядами.

Отметим, что для ионных соединений структурные формулы не составляют.

Возникает вопрос: почему в случае HCl образуется ковалентная, а в случае NaCl — ионная связь? Это объясняется различием в значениях электроотрицательности взаимодействующих атомов. Разность между значениями электроотрицательности атомов H и Cl значительно меньше, чем разность между значениями электроотрицательности Na и Cl. Это означает, что хлор гораздо сильнее притягивает к себе электрон натрия, чем электрон водорода. В результате происходит полный переход электрона от атома натрия к атому хлора.

Ионная связь главным образом образуется в галогенидах, гидроксидах и оксидах щелочных и щёлочноземельных металлов. К этому типу также относят связь между катионом и анионом сложного состава, например в солях кислородсодержащих кислот (Na₂SO₄, NaNO₃, (NH₄)₂SO₄). В таких веществах существует два типа связей: ионная — между катионом и анионом, и ковалентная — между атомами неметаллов внутри катиона или иона сложного состава (рис. 25).

Металлическая связь

Металлическая связь образуется в кристаллах металлов и металлических сплавов за счёт обобществления всеми атомами их валентных электронов.

Передача атомами металлов своих валентных электронов в коллективное пользование, наличие в металлах свободных электронов — причина электрической проводимости. Образование металлической связи можно описать следующим образом. В атомах металлов на внешнем энергетическом уровне содержится небольшое количество валентных электронов. В любом периоде периодической системы атомы металлов имеют по сравнению с атомами неметаллов больший радиус, меньшее количество валентных электронов и самый малый заряд ядра. Поэтому валентные электроны относительно слабо связаны с ядрами атомов и могут легко перемещаться по всему кристаллу металла. В результате кристалл состоит из положительно заряженных ионов, между которыми перемещаются свободные электроны, так называемый электронный газ (рис. 26).

В таблице 11 суммированы сведения о механизмах образования химических связей и распределении электронной плотности между химически связанными атомами.

Таблица 11. Образование ковалентной, ионной и металлической связей

Тип связи	Характер обмена электронами между атомами	Условия взаимодействия между атомами
Ковалентная связь	Локализация связывающих электронных пар валентных электронов между положительно заряженными ядрами атомов. Возникает преимущественно между атомами неметаллов в молекулах и атомных кристаллах
Ионная связь	Передача электронов от одного атома другому и образование кристалла из катионов и анионов. Возникает между атомами типичных металлов и неметаллов, в солях, многих оксидах, гидроксидах
Металлическая связь	Обобществление валентных электронов и их равномерное распределение в пространстве между всеми атомными ядрами. Возникает в металлах и сплавах

Вопросы, задания, задачи

1. Определите тип химической связи, представленный электронными схемами:

а)		в)
б)		г)

2. Составьте электронные формулы молекул водорода, хлора, хлороводорода, воды, аммиака и укажите число связывающих и неподелённых электронных пар в каждой из них.

3. Укажите тип химической связи между атомами в следующих соединениях:

• а) СaCl₂, BaO, S₈, CaF₂, CCl₄, сплав Fe—C;
• б) I₂, SiO₂, Na₂S, О₃, C₂H₅OH, сплав Au—Cu.

4. Сравните электронные схемы и электронные конфигурации:

• а) атома Li и иона Li⁺ в бромиде лития;
• б) атома Сl и иона Сl^– в хлориде калия;
• в) атома S и атома серы в молекуле сероводорода.

5. Назовите механизм образования связи между атомами, имеющими следующие электронно-графические схемы внешних электронных оболочек:

• а) и
• б) и
• в)  и

6. Согласно приведённой схеме объясните механизм образования ковалентной связи в ионе гидроксония при взаимодействии молекулы воды и иона водорода:

7. Используя значения электроотрицательности элементов (табл. 7), дайте обоснование типу химической связи в веществах и частицах: , , , , , .

8. Укажите соединения, имеющие как ковалентную, так и ионную связь: НСООН, CH₃COONa, MgF₂, MgSO₄, NH₄NO₃, HNO₃, KNO₃, CaSO₄, NH₃.

9. Рассчитайте число электронов, участвующих в образовании ковалентных связей в ионах аммония количеством 3 моль.

10. При образовании метана из атомов углерода и водорода выделяется 1662 кДж/моль энергии. Вычислите среднюю энергию связи С—Н (кДж/моль).

*Самоконтроль

1. Верными являются утверждения:

• а) химическая связь имеет электростатическую природу;
• б) энергия двух отдельных атомов Сl меньше энергии двух связанных атомов Cl;
• в) атом углерода имеет четыре валентных электрона;
• г) разрыв химической связи сопровождается поглощением энергии.

2. За счёт общих электронных пар образуются связи:

• а) ковалентная полярная;
• б) ионная;
• в) металлическая;
• г) ковалентная неполярная.

3. Ионная связь существует в веществах:

• а) О₂;
• б) СsCl;
• в) Mg(NO₃)₂;
• г) Н₂О.

4. Азот выступил донором электронной пары в соединениях:

• а) NН₃;
• б) NH₄NO₃;
• в) NCl₃;
• г) (NH₄)₂SO₄.

5. Электронную конфигурацию, сходную с конфигурацией атома аргона, имеют ионы:

• а) Ca²⁺;
• б) F^–;
• в) Na⁺;
• г) S^2–.