Print bookPrint book

§ 13. Природа и типы химической связи

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 13. Природа и типы химической связи
Printed by: Guest user
Date: Saturday, 25 May 2024, 2:10 PM

Любое химическое соединение — молекулу (CO2), кристалл (NaCl), сложный ион (SO subscript 4 superscript 2 minus end superscript) — 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).

img
Рис. 24. Образование ковалентной связи в молекуле HCl

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 img, у атома водорода — один box enclose downwards arrow. Эти электроны участвуют в образовании трёх ковалентных связей по обменному механизму с атомами водорода: img или img

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 NH subscript 4 superscript plus при протекании реакции:

NH subscript 3 space plus space HCl space equals space NH subscript 4 Cl (хлорид аммония)

или в ионном виде:

NH subscript 3 plus straight H to the power of plus equals NH subscript 4 superscript plus (ион аммония).

Это взаимодействие можно представить электронными формулами:

#

При взаимодействии молекулы img с катионом водорода box enclose space space space space end enclose straight H to the power of plus, у которого на 1s-орбитали нет электронов, неподелённая пара электронов азота размещается на свободной 1s-орбитали box enclose space space space space end enclose иона водорода. В результате образуется катион аммония NH subscript 4 superscript plus 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: img Если мы хотим подчеркнуть механизм образования связи, то можно стрелкой указать направление смещения электронной пары от донора к акцептору: img 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.

img

Донорно-акцепторным механизмом объясняют образование ковалентной связи в молекулах угарного газа img, азотной кислоты img 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 – e11Na+ 1s22s22p6 (или Na – e → Na+),

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

17Cl 1s22s22p63s23p5 + e17Cl 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 ns26.

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).

img
Рис. 25. Схема образования связей в хлориде аммония NH4Cl

Металлическая связь

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

img
Рис. 26. Кристалл металла,
состоящий из регулярно
расположенных катионов металла
и свободно перемещающихся
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
img
Образование общих
электронных пар
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
img
Электростатическое
взаимодействие между
образовавшимися ионами
Металлическая связь Обобществление валентных электронов и их равномерное распределение в пространстве между всеми атомными ядрами. Возникает в металлах и сплавах
img
Обобществление всех
валентных электронов

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

Химическая связь имеет электростатическую природу.

При образовании химической связи полная энергия системы ядер и электронов понижается.

Выделяют три основных типа химической связи: ковалентная, ионная и металлическая, отличающиеся характером распределения электронной плотности между взаимодействующими атомами.

Существует два механизма образования ковалентной связи — обменный и донорно-акцепторный.

Вопросы, задания, задачи

1. Определите тип химической связи, представленный электронными схемами:

а) img в) img
б) img г) img

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) box enclose upwards arrow и img
  • б) img и img
  • в) box enclose downwards arrow и img

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

img

7. Используя значения электроотрицательности элементов (табл. 7), дайте обоснование типу химической связи в веществах и частицах: NaCl, NH subscript 4 superscript plus, HCl, PCl subscript 5, LiF, SO subscript 4 superscript 2 minus end superscript.

Химическая формула вещества или частицы Электроотрицатель­ность атомов Разность электроотрица­тельностей
∆χ
Тип химической связи
χ1 χ2
         

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).

Повышенный уровень

*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) S2–.