Свойства ряда существующих веществ и соединений обусловлены химическими связями. Они соединяют их с атомами элементов, из которых состоит молекула. Характер образующейся связи также определяет прочность соединения.
Химические связи
Химическая связь — это взаимодействие между электронами отдельных атомов элементов, приводящее к их прочной связи. В результате образуется химическое соединение. Одни и те же элементы обычно обладают разными свойствами по сравнению со свойствами образуемой ими молекулы.
Образование химических соединений в результате образования связи обусловлено стремлением элементов достичь как можно более низкого энергетического состояния. Затем они становятся химически пассивными. Таким образом, атомы элементов стремятся приобрести электронную конфигурацию ближайшего гелия в периодической таблице химических элементов (группа 18). Речь идет о правиле дуплета и октета Правило дуплета — это тенденция атомов элементов иметь два валентных электрона на последней оболочке. Аналогичным образом, в случае правила октета у элементов есть восемь валентных электронов.
Выполнение правила дуплета или октета химическими элементами основано на образовании одной или более химических связей. Количество связей, которое может образовать данный атом, называется валентностью. Следует иметь ввиду, что один и тот же элемент может иметь разные значения валентности.
Для того чтобы полностью охарактеризовать химическую связь, часто приводят такие ее характеристики, как энергия, длина связи и разница электроотрицательности составляющих ее элементов.
Значение электроотрицательности при образовании связей
Электроотрицательность определяется как явление притяжения электронов посредством атомов элементов, образующих химическую связь. Электроотрицательность непосредственно связана с энергией связи между атомами. То, каким образом химические элементы приобретают электронную конфигурацию ближайшего гелия в периодической таблице химических элементов, т. е. каким образом они образуют химические связи, напрямую зависит от значений электроотрицательности отдельных компонентов.
Отдельные элементы взаимодействуют с электронами других атомов с разной силой — согласно их расположению в шкале, созданной Линусом Полингом (шкала Полинга). Для металлов характерны низкие значения электроотрицательности. Поэтому они слабо притягивают другие электроны и легко отдают свои. Они также называются электроположительными элементами. Цезий (или искусственно полученный франций) имеет наименьшую электроотрицательность 0,7. Неметаллы ведут себя иначе. Среди них фтор — самый электроотрицательный элемент (4,0). Неметаллы сильно притягивают валентные электроны атомов, с которыми они стремятся образовать связь.
Типы химических связей
Ионная связь
Она образуется между атомами металлов и атомами неметаллов, которые существенно различаются по значениям электроотрицательности согласно шкале Полинга. Затем электроны притягиваются к более электроотрицательному элементу и размещаются на его валентной оболочке. В результате данного притяжения у него избыток электронов, поэтому он становится отрицательным ионом, то есть анионом. Аналогичным образом, атом, потерявший электроны (электроположительный), имеет недостаток электронов, поэтому становится положительным ионом, то есть катионом. Предполагается, что для образования ионной связи разница электроотрицательности должна составлять по меньшей мере 1,7. Образовавшиеся ионы (катион и анион) притягиваются друг к другу в результате электростатического притяжения противоположно заряженных ионов. Следует иметь ввиду, что 100%-й ионной связи в действительности не существует. Процентное отношение этой связи зависит от разницы электроотрицательности между отдельными атомами — чем больше разница, тем больше процентное отношение ионной связи.
Ковалентная (атомная) связь
Она возникает между атомами неметаллов с небольшой разницей значений электроотрицательности по шкале Полинга. Элементы, образующие связь, «делят» валентные электроны между собой таким образом, что каждый из них достигает самого низкого возможного энергетического состояния. Образовавшаяся электронная пара является общей. Она расположена между атомами в виде электронного облака. Если между элементами есть разница электроотрицательности, ковалентная связь поляризуется — общая электронная пара смещается в сторону элемента с большей электроотрицательностью (сильнее притягивающего электроны). Затем молекула становится диполем с положительным и отрицательным полюсами. Связь, которая образуется между одинаковыми атомами, называется ковалентной неполяризованной. Электронная пара не смещается ни в одном направлении, поскольку разница электроотрицательности по шкале Полинга равна 0.
Координационная связь
В этом типе связи один из атомов отдает свою электронную пару — он является донором. Акцептор —это атом в молекуле или ион с незаполненной валентной оболочкой. Другое название этой связи — донорно-акцепторная. Координационная связь чем-то похожа на ковалентную связь. Однако в этом случае совместное использование электронов происходит в результате отдачи электронной пары только одного из атомов.
Металлическая связь
Металлическая связь — это особый тип связи, встречающийся в металлах и их сплавах. Катионы в металлах образуют своеобразную кристаллическую решетку. Они заряжены положительно. Электроны циркулируют по валентным оболочкам атомов металлов. Они образуют электронное облако, свободно перемещающееся между катионами металлов из кристаллической решетки. Их называют делокализованными электронами. Поскольку они имеют отрицательный заряд, они уравновешивают положительные катионы, и поэтому металлы электрически нейтральны.
Межмолекулярные взаимодействия
В природе существует ряд соединений, атомы которых не связаны химическими связями. Они взаимодействуют друг с другом в результате гораздо более слабых сил, короткодействующих — сил Ван-дер-Ваальса и водородных связей.
Силы Ван-дер-Ваальса
Это короткодействующие взаимодействия, которые происходят между неполярными молекулами. Они играют особую роль, например, в макромолекулах, таких как полимеры. Кроме того, они влияют на агрегатное состояние отдельных элементов вещества. Наиболее распространенным примером связей Ван-дер-Ваальса является грифель карандаша. В результате движения карандаша по поверхности листа бумаги последующие слои графита (непостоянно связанные друг с другом) оставляют след на поверхности.
Водородные связи
Они примерно в 10 раз слабее по сравнению с ковалентными связями. Они могут существовать внутри данной молекулы или между различными молекулами. Они образуются между атомами водорода, связанными с атомами электроотрицательных химических элементов, и атомами сильно электроотрицательных элементов, которые имеют свободные электронные пары. Этот тип взаимодействия является характерным для группы -ОН, -SH и -NH2. Он играет ключевую роль во всех видах биологических систем. Это приводит к ассоциации, то есть объединению в более крупные кластеры молекул, что меняет их свойства, например температуру кипения, плотность или растворимость.