2.3. Донорно-акцепторная связь
Взаимодействия молекул с образованием донорно-акцепторной ковалентной связи широко распространены. Такие связи еще называются координационными.
Донор электронов располагает атомом, одна из орбиталей которого содержит пару электронов. Акцептор электронов располагает атомом, одна из орбиталей которого вакантна, т.е. не заселена электронами.
Когда взаимодействуют молекулы электроноакцепторы и электронодоноры, перекрывание орбиталей приводит к образованию донорно-акцепторной ковалентной связи. Донорно-акцепторная ковалентная связь образуется между атомами при участии пары электронов электронодонора и вакантной орбитали электроноакцептора.
На рис. 13 представлено образование донорно-акцепторной связи при взаимодействии газообразного аммиака и хлороводорода. Атом водорода с вакантной орбиталью соединяется с молекулой аммиака донорно-акцепторной связью, оставляя при этом свой электрон атому хлора.
Рис. 13. Механизм образования донорно-акцепторной связи
Азот в аммиаке выполняет функцию донора, а ион водорода – акцептора электронов. Переход водорода от хлороводорода без электрона компенсируется парой электронов атома азота. В образовавшемся ионе NH4+ все связи ковалентные и равноценные.
2.4. Ионная связь
Случаю предельной поляризации ковалентной связи отвечает ионная связь. Ионная связь отличается от ковалентной тем, что при её образовании практически отсутствует перекрывание атомных орбиталей. Например, при сближении иона лития Li+ с ионом фтора F– происходит их объединение в ионную пару за счет электростатического притяжения (рис. 14).
Ионная связь обусловлена взаимодействием противоположно заряженных сферических ионов, удерживающая их на расстоянии длины химической связи.
lсв
Рис. 14. Ионная связь во фториде лития Li+F. Пунктиром обозначена 2s-орбиталь, электрон с которой перешел на 2р- орбиталь атома фтора; 2s-орбиталь фтора не обозначена
Длина ионной связи соответствует расстоянию между центрами ионов.
Ионная связь образуется между атомами, существенно отличающимися по электроотрицательности. Электроотрицательность атома – параметр, характеризующий способность атома притягивать к себе электрон. Расчеты электроотрицательности (ЭО) были выполнены Л. Полингом и Р. Малликеном. Большинство химиков пользуется шкалой электроотрицательности Полинга (табл. 2). Чем выше разность электроотрицательностей химически связанных атомов, тем полярнее связь, достигающая в пределе состояния ионной пары. Существует качественная оценка ионности связи (i):
Таблица 2
Электроотрицательность атомов, по Полингу
-
Н
2.1
Li
1.0
Be
1.5
B
2.0
C
2.5
N
3.0
O
3.5
F
4.0
Na
0.9
Mg
1.2
Al
1.5
Si
1.8
P
2.1
S
2.5
Cl
3.0
k
0.8
Ca
1.0
Ga
1.5
Ga
1.7
As
2.0
Se
2.4
Br
2.8
Неполярная ковалентная связь (ЭО) = 0, i = 0
Полярная ковалентная связь 0 < (ЭО) < 2, i = (ЭО)/2
Ионная связь (ЭО) > 2, i = 1
Для LiF значение (ЭО) = 4 – 1 = 3 свидетельствует о ионном характере связи этого соединения.
Ионная связь в кристаллах солей, оксидов, оснований не обладает свойством насыщаемости и направленности. Силы электростатического притяжения (при практически полном отсутствии перекрывания атомных орбиталей) удерживают ионы на расстоянии (lсв), соединяющем центры ионов.
Ионные пары в кристалле выстраиваются в определенной последовательности, представленной на рис. 15. Изображена только одна грань объемного ионного кристалла кубической формы. Размеры такого кристалла ничем не ограничены.
Цвет и форма ионных кристаллов зависит от их состава и от природы химических элементов (рис. 16).
Разнообразие кристаллических структур ионных (не только ионных, как мы увидим далее) соединений позволяет использовать их свойства (цвет, твердость, прозрачность) в практических целях: для изготовления лазерных устройств, в виде украшений и многих других интересных и нужных вещей.
Рис. 15. Модель одной из граней ионного кристалла кубической формы
Рис. 16. Ионные кристаллы: а) фторид лития LiF; б) рубин Al2O3(примесь Cr2O3); в) гранат Ca3Cr2[SiO4]3; г) корунд Al2O3
Поверхность ионной кристаллической решетки доступна для её наращивания, и увеличение объема кристалла не имеет ограничений. Например, кристаллы рубина получают в промышленности следующим образом. Порошок гидроксида алюминия Al(OH)3 в смеси с незначительной добавкой оксида хрома (III) Cr2O3 медленно, крупинка за крупинкой, ссыпается сквозь жерло электропечи, нагретой до температуры плавления гидроксида алюминия. В расплавленной капле гидроксид алюминия превращается в оксид алюминия Al2O3 и воду. Вода испаряется, а оксид алюминия вместе с оксидом хрома кристаллизуются на подложке в форме темно-красного «пальца». Это и есть синтетический рубин.