9.4 Ковалентная (гомеополярная) или атомная связь

Осуществляется с помощью спаренных электронов. В образовании электронной пары принимают участие оба атома, отдавая по одному электрону.

Ковалентная связь строго направлена, её сила зависит от числа спаренных электронов и их энергетического уровня.

Число связей (или спаренных электронов) обусловлено стремлением атомов обрести устойчивую 8-ми электронную оболочку. Каждый атом связан с (8 – N) атомами, где N – порядковый номер его группы в таблице Менделеева.

Наиболее выраженную атомную связь имеют элементы 4-й группы: углерод, кремний, германий. Для структур характерны малые координационные числа, отсутствие плотнейших упаковок. Пример: структура алмаза с координационным числом 4, каждый атом углерода с 4-мя ближайшими атомами связан ковалентно. Все связи направлены по ребрам кубического тетраэдра.

Чем ниже в таблице Менделеева распложен атом 4-й группы, тем его тенденция к ковалентному типу связи ослабевает и усиливается тенденция к металлическому типу: C (ковалентная), Si (ковалентная), Ge (ковалентная) Sn (серое олово – ковалентная, белое олово – металлическая), Pb (металлическая).

Ковалентная связь очень прочная, поэтому кристаллы имеют высокие значения твердости (алмаз, карборунд), температуры плавления, проводимость колеблется в широких пределах: от хороших проводников до диэлектриков.

Очень часто связи бывают не чисто ионные или ковалентные, а имеют ионно-ковалентный характер.

Ковалентная связь образуется не только между однородными атомами, но и между разнородными. Например, элементы 3-й группы таблицы Менделеева (B, Al) соединяясь с элементами 5-й группы(N, P, As ) образуют полупроводниковые соединения типа А₃В₅, где А – катион, В – анион, 3,5 – индексы, которые соответствуют номеру столбца в таблице Менделеева.

В таких соединениях имеется доля ионной связи, которая рассчитывается по электроотрицательностям взаимодействующих атомов. При взаимодействии разнородных атомов существенна их способность захватывать или отдавать электроны, что характеризуется величиной называемой электроотрицательностью ,

где: I- потенциал ионизации – энергия, которую надо сообщить атому, чтобы оторвать внешний электрон;

Е – сродство к электрону, т. е. энергия присоединения.

Если электроотрицательности атомов равны или очень близки, то связи ковалентные, а если сильно отличаются то связи – ионные.

Так, кислородные соединения кремния содержат силоксановую связь Si – O, процент доли ионной связи, вычисленный по отношению электроотрицательностей ионов Si⁴⁺ и O^2- составляет ≈ 50% , связи Al – O в α-Al₂O₃ – 41%, связи Ті – О в ТіО₂ – 40%.

9.5 Ван-дер-ваальсовские (молекулярные) связи

Или, как их еще называют, остаточные связи действуют между электрически нейтральными молекулами. Возникновение их обусловлено образованием мгновенно меняющихся дипольных моментов между молекулами. В чистом виде такие связи наблюдаются у благородных газов, органических соединений, переходящих в кристаллическое состояние при очёнь низких температурах.

Эти связи значительно слабее ковалентных и ионных, но могут действовать на значительном расстоянии. Характерны обычно малые координационные числа.

Физические свойства молекулярных кристаллов: летучесть, легкоплавкость, низкие электро- и теплопроводность, небольшая твердость.

Пример: ромбическая сера.

Такая связь, в сочетании с другими видами, наблюдается в некоторых природных материалах, которые характеризуются наличием пакетов в структурах – монтмориллонит: Al₂O₃ 4SiO₂ H₂O n H₂O. В пакетах ионно-коваленая связь, а между пакетами ван-дер-ваальсовская.