Ионная химическая связь

Ионная химическая связь представляет собой электростатическое взаимодействие положительно и отрицательно заряженных ионов в химическом соединении. Такая связь возникает лишь в случае большой разности значений электроотрицательности атомов, например между катионами s-металлов первой и второй групп периодической системы и анионами неметаллов VI и VII групп (LiF, CsCl, K₂O и др.). Например, в молекуле CsF. Здесь происходит почти полный переход электронов от электроположительного атома цезия к электроотицательному атому фтора. В результате атомы становятся ионами Cs⁺ и F^-. Ионы притягиваются друг к другу с образованием молекулы.

Ионная связь – предельный случай поляризации ковалентной связи. Ионная связь, в отличие от ковалентной связи, не обладает направленностью и насыщаемостью.

Каждый ион может притягивать к себе ионы противоположного знака по любому направлению. Это объясняет отсутствие направленности.

Поскольку ионная связь способна возникать в любых направлениях относительно данного иона, она не обладает насыщаемостью. Количество ионов противоположного знака, которые может притягивать к себе данный ион, определяется лишь пространственными факторами (например, площадью поверхности катиона и размерами окружающих его анионов).

Вещества с ионной связью обычно обладают не молекулярной, а полимерной (кристаллической) структурой.

Так как энергия ионизации больше сродства к электрону, то полного перехода электронов не происходит даже в случае пары атомов с большой разностью значений электроотрицательности. Поэтому чисто ионная связь не существует. Можно лишь говорить о доле ионности связи. Например, в кристалле NaCl эффективный отрицательный заряд атома хлора составляет 0,94 заряда электрона; таким же по абсолютной величине положительным зарядом обладает и атом натрия.

Металлическая связь

Атомы большинства металлов на внешнем энергетическом уровне содержит небольшое количество электронов.

 

Для примера рассмотрим кристаллическую решетку натрия.

Валентный электрон (3s¹) может занимать одну из девяти свободных орбиталей. При сближении атомов валентные орбитали соседних атомов перекрываются, благодаря чему электроны свободно перемещаются из одной орбитали в другую и принадлежат всем атомам.

При сближении атомов валентные орбитали соседних атомов перекрываются, благодаря чему электроны свободно перемещаются из одной орбитали в другую и принадлежат всем атомам. Согласно теории свободных электронов, в узлах решетки металла находятся положительно заряженные ионы, которые погружены в электронный «газ», распределенный по всему металлу. Таким образом, валентные электроны у металлов не локализованы. Между положительно заряженными ионами металла и нелокализованными электронами существует электростатическое взаимодействие, обеспечивающее устойчивость вещества. Энергия этого взаимодействия является промежуточной между энергиями ковалентных и молекулярных кристаллов. Поэтому элементы с чисто металлической связью (s- и р-металлы) характеризуются относительно невысокими температурами плавления и твердостью.

Наличие электронов, которые могут свободно перемещаться по объему кристалла, обеспечивает высокие электрическую проводимость и теплопроводность, а также ковкость и пластичность металлов. Металлический блеск обусловлен отражением световых лучей от электронного газа, который несколько выходит за границу положительно заряженных ионов.

Из-за ненапрвленности связей, сферической формы и одинакового размера ионов металлы кристаллизуются, как правило, в плотноупаованных гексагональных или гранецентрированных структурах.

Водородная связь

Химическая связь, образованная положительно поляризованным водородом молекулы А-Н (или полярной группы –А-Н) и электроотрицательным атомом В другой или той же молекулы, называется водородной связью. Если водородная связь образуется между разными молекулами, она называется межмолекулярной, если связь образуется между двумя группами одной и той же молекулы, то она называется внутимолекулярной. Водородная связь между молекулами А-Н и В-R обозначается тремя точками

А-Н + В-R → А-Н…В-R

Водород в данном случае образует две химические связи, причем они не равноценны.

Образование водородной связи обусловлен тем, что в полярных молекулах А-Н или полярных группах –А-Н поляризованный атом водорода обладает уникальными свойствами: осутствием внутренних электронных оболочек, значительным сдвигом электронной пары к атому с высокой электроотрицательностью и очень малым размером. Поэтому водород способен глубоко внедряться в электронную оболочку соседнего отрицательно поляризованного атома.

Атомы А и В могут быть одинаковыми, как при взаимодействии HF

но могут быть и разными, как при взаиодействии воды и фтороводорода.

Энергия водородной связи возрастает с увеличением электроотрицательности и уменьшением размеров атомов В. Поэтому наиболее прочные водородные связи возникают, когда в качестве атомов В выступают F, O или N. Несмотря на высокую электроотицательность у хлора, водородная связь –Н…Cl- относительно слабая из-за большого размера атома хлора. Длины водородных связей имеют промежуточное значение. Например, у воды длина связи О-Н – 0,096 нм, а связи О…Н – 0,177 нм.

При возникновении водородных связей образуются димеры, триммеры или полимерные структуры, например зигзагообразные структуры (HF)_n или более сложные конфигурации, например у льда:

Образование межмолекулярных вдородных связей приводит к существенному изменению свойств веществ: повышению вязкости, диэлектрической постоянной, температур кипения и плавления и парообразования. Например, вода, фтороводород и аммиак имеют аномально высокие температуры кипения и плавления. Под влиянием водородных связей изменяются химические свойства. Например, HF – слабая кислота, в то время ее аналог HCl – сильная кислота.

Так как многие соединения содержат ковалентные полярные связи Н-О и H-N, то водородные связи очень распространены. Они проявляются не только в воде, но и в различных кристаллических веществах, полимерах, белках, живых организмах. Например, практически все соли образуют кристаллогидраты, в которых имеются водородные связи.

Важную роль водородные связи играют в белках, у кторых спиральные полимерные стуктуры объединяются связями N-H…O. Двойные спирали нуклеиновых кислот соединяются межмолекулярными водородными связями N-H…N и N-H…O.