Лекция 3. Химическая связь

План

1. Общая характеристика химической связи.

2. Ковалентная химическая связь.

3. Ионная химическая связь.

4. Металлическая и водородная химическая связь.

1. Химическая связь – это электростатическое взаимодействие двух атомов или многоатомных систем, осуществляемое путем обмена электронами. Важнейшими параметрами химической связи являются длина и энергия. Расстояние между ядрами двух связанных атомов называется длиной связи. Например, в молекуле Н₂О расстояние меду ядрами водорода и кислорода составляет 0,096 нм. Угол меду воображаемыми прямыми, проходящими через ядра химически связанных атомов, называется валентным углом. В молекуле Н₂О он равен 104,5 ^оС. Мерой прочности связи является энергия связи, определяемая работой, которая необходима для разрушения связи. Например, энергия связи Н-Н в молекуле Н₂ равна 435 кДж/моль.

В зависимости от того, как происходит обмен электронами выдяляют следующие виды химической связи: ковалентную, ионную, металлическую и водородную.

2. Ковалентная связь – это связь, осуществляемая за счет образования общих электронных пар, принадлежащих обоим атомам. Общая электронная пара может быть образована двумя способами: 1) каждый из атомов отдает в общее пользование по одному электрону (обменный механизм); 2) один атом отдает в общее пользование два электрона, а другой предоставляет пустую орбиталь (донорно-акцепторный механизм).

Обменный механизм: Н· + ·Н Н : Н

Примером донорно-акцепторного механизма образования ковалентной связи является образование иона аммония – NH₄NO₃.

По способу перекрывания электронных орбиталей различают ϭ и π-ковалентные связи. В молекуле N₂ электронаая пара образуется за счет образования ϭ-связи (эектронаая плотность находится в одной области, вдоль линии соединяющей ядра атомов). При боковом перекрывании р-орбиталей в двух областях образуется π-связь.

По числу электронных пар образующих атомы различают ковалентные связи:

• Одинарные (Н₂, СН₄);

• Двойные (СО₂, С₂Н₄);

• Тройные (N₂, С₂Н₂).

По степени смещения электронной пары выделяют неполярную и полярную ковалентную связь. Ковалентная химическая связь образующаяся между атомами с одинаковой электроотрицательность, называется неполярной. Например, Н₂, СI₂, N₂. Если взаимодействующие атомы имеют различную электроотрицательность (атомы разных элементов), то общая электронаая пара смещается к атому с большей электроотрицательностью. В данном случае возникает полярная ковалентная связь (Н· + ·СI Н :CI). Полярность связи обозначают стрелкой, направленной в сторону атома с большей электроотрицательностью: Н CI.

3. Ионная химическая связь – это связь, образующаяся за счет электростатического взаимодействия ионов (катионов и анионов). Классическим примером образования является образование фторида натрия. При взаимодействии атомов натрия (электроотрицательность 0,93) с атомами фтора (электроотрицательность 4,10) происходит переход электронов атома с меньшей электроотрицательностью к атому с большей элкктроотрицательностью:

Na· + ·F Na⁺ + :F^-

Образующиеся частицы называются ионами. Все ионные соединения в твердом состоянии являются кристаллическими веществами. Они имеют ионную кристаллическую решетку. Основное свойство ионной связи – направленность. В кристалле NaCI каждый ион натрия притягивается ко всем ионам хлора и наоборот.

4. Металлическая связь – это связь между положительными ионами в кристаллах металлов, осуществляемая за счет общих электронов, свободно перемещающихся по кристаллу. Валентные электроны атомов металлов слабо связаны с ядрами атомов и могут легко отрываться от них. В результате в кристаллической решетке металла появляются положительно заряженные ионы и свободные электроны. В кристаллической решетке металлов существует большая свобода перемещения электронов. Связь между ионами осуществляется за счет большого количества электронов, свободно перемещающихся в поле положительных центров. Металлическая связь (как и ионная) характеризуется ненаправленностью, в ней принимают участие все атомы кристалла металла.

Химическая связь между положительно заряженным атомом водорода одной молекулы и отрицательно заряженным атомом другой молекулы называется водородной. Механизм образования водородной связи имеет частично электростатический, частично донорно-акцепторный характер. Такая связь образуется между молекулами воды и этилового спирта. В белках вторичная структура обеспечивается наличием водородных связей между карбонильным атомом кислорода и водородом аминогруппы. Эта связь имеется и в ДНК в которой две цепи нуклеотидов связаны водородной связью.