Химическая связь

На этой странице вы узнаете 

• Как и благодаря чему атомы соединяются в молекулы?
• Можно ли увидеть химическую связь?
• Химический «коннекшн» — какие химические связи бывают? 

Человеческая жизнь невозможна без связей между людьми. Также и молекулы невозможны без химических связей между атомами. Непреодолимая связь между людьми приводит к образованию семьи, а связь между атомами — к образованию молекул.

Химическая связь 

Перед тем, как мы перейдем непосредственно к изучению химической связи, вспомним основные понятия.

Атом — электронейтральная химически неделимая частица, которая состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

При соединении нескольких атомов образуются молекулы.

Молекула — это мельчайшая частица, которая состоят из атомов. Она является химически делимой.

Как и благодаря чему атомы соединяются в молекулы? Чаще всего атомы химических элементов не существуют сами по себе, а объединяются в химические соединения, в которых они удерживаются рядом друг с другом с помощью химических связей. Например, при образовании молекулы H2O свободные электроны двух атомов водорода занимают пустые орбитали кислорода.

Многие атомы стремятся соединиться с другими атомами, образуя более сложные химические частицы. Но зачем все это нужно? Причина кроется в выигрыше энергии в результате такого соединения. 

Это как скинуться с другом и купить несколько лотерейных билетов вместо того, чтобы купить один билет самому. В первом случае вероятность выигрыша в лотерее больше. 

Атомы стремятся приобрести устойчивую конфигурацию, то есть полностью заполненный энергетический подуровень.

Так, объединив свои электроны, водород и кислород приобрели электронные конфигурации благородных газов, к чему стремятся атомы всех химических элементов. 

Таким образом, химическая связь — это:
— сила, удерживающая атомы в молекуле;
— сила, возникающая благодаря перекрытию орбиталей и созданию тем самым общих электронных пар.

Почему образуются химические связи? 
На это есть две причины (мы их уже упоминали): 

1. Каждый атом стремится приобрести конфигурацию инертного (благородного) газа, то есть иметь на внешнем уровне 8 электронов (или 2, как для элементов первого периода). Это называется правилом октета.

2. Внутренняя энергия более сложных структур (например, молекул) меньше, чем суммарная энергия атомов, из которых состоит эта структура. А поскольку любая система стремится к меньшей энергии и большей стабильности, создавать химические связи энергетически выгодно для атомов.

Итог: атомам выгоднее и легче с точки зрения энергии быть вместе.

Можно ли увидеть химическую связь? Недавно ученые из Японии и Швейцарии с помощью особого микроскопа смогли увидеть химические связи в молекулах угарного газа и других органических веществ. Были проведены наблюдения за формированием связей и их обрывом в зависимости от различных условий, а также измерена их сила. Эти исследования наглядно подтвердили известные нам данные о химических связях.

Механизмы образования связей

Механизмы есть везде: в часах, в машинах, на производствах. Так и химические связи образуются по определенным правилам.

Сколько механизмов образования связей существует? 

1. Обменный механизм.

При образовании химической связи атомы выделяют по одному электрону на внешнем электронном уровне. Образуется общая электронная пара. По такому механизму образуются почти все химические связи.

2. Донорно-акцепторный механизм.

Такой вариант уже не равноценен для атомов: один предоставляет свободное место (вакантную орбиталь), а другой — свободную пару электронов. По такому механизму образуются связи в NH₄⁺ (не NH₃), PH₄⁺, O₃, CO, HNO₃, N₂O₅, комплексы, соли аминов.

Давайте рассмотрим подробнее образование химических связей на примере катиона аммония NH₄⁺.

Сначала образуется молекула аммиака NH₃. Три неспаренных электрона атома азота объединяются с неспаренными электронами от трех атомов водорода → образуются три связи по обменному механизму.

Далее к уже образовавшейся молекуле аммиака NH₃ «прибегает» водород, у которого «украли» 1 электрон — H⁺. Так как электрона у него больше нет, по сути, он представляет собой пустую орбиталь. 

Затем между NH₃ и H⁺ возникает химическая связь по донорно-акцепторному механизму. Азот является донором электронов, так как у него есть спаренные электроны на 2s-подуровне, а водород акцептором — у него есть пустая орбиталь, куда можно «заселить» эти электроны. 

Таким образом, образуется катион аммония NH₄⁺, где три связи образованы по обменному механизму, а четвертая по донорно-акцепторному. В молекуле аммиака NH₃, в отличие от этой частицы, есть только три связи, образованные по обменному механизму. 

Разновидности химических связей 

Ковалентная связь

Ковалентная НЕполярная: 

• образуется между атомами одинаковых неметаллов;
• из-за одинаковых значений электроотрицательности их общая(-ие) электронная(-ые) пара(-ы) не смещает(ют)ся к какому-либо атому. 

Примеры: Cl₂, I₂, H₂, S, P, F₂, N₂, O₂, C, H₂O₂, C₃H₈, CaC₂, FeS₂.

У атомов хлора в молекуле хлора одинаковая электроотрицательность (ЭО), так как это атомы одного и того же элемента. Поэтому никто из них на себя электроны не перетягивает. 

Ковалентная полярная:

• образуется между атомами разных неметаллов;
• из-за разных значений электроотрицательности их общая(-ие) электронная(-ые) пара(-ы) смещает(ют)ся к более электроотрицательному атому.

Примеры: HCl, CO, N₂O, CO₂, HNO₂, Cl₂O₅, H₂SO₄.

У хлора в молекуле соляной кислоты ЭО выше, чем у водорода, поэтому он перетягивает электроны на себя → на нем создается заряд σ‎-, а на водороде σ‎+. 

Ионная связь:

• связь образуется между атомами металла и неметалла;
• из-за разных значений ЭО их общую(ие) электронную(ые) пару(ы) почти забирает себе более электроотрицательный атом.

При ионной связи атомы переходят в ионы.

Ионы — положительно или отрицательно заряженные частицы, образующиеся из нейтральных атомов или молекул путем отдачи или присоединении электронов.

Примеры: соли, основания, оксиды металлов — NaCl, NH₄NO₃, K₂O, Fe(OH)_2.

У хлора в соли NaCl ЭО намного больше, чем у натрия, поэтому хлор не просто стягивает на себя электроны, а отбирает их у металла → хлор приобретает заряд «–» и становится заряженной частицей — анионом, а натрий — «+» и становится катионом.

Металлическая связь 

В этом виде связи между электронами происходит постоянная «тусовка».

Сущность: электроны отрываются от атомов Ме, превращая их тем самым в катионы Меⁿ⁺. При этом, летая, они присоединяются к другим катионам, превращая их в атомы: 

Ме⁰ – ne = Меⁿ⁺
Меⁿ⁺ + ne = Ме⁰

Для интересующихся темой: 

• «электронный ветер» — носящиеся и перебегающие от одного атома к другому в кристалле Ме электроны (то есть сам процесс);
• «электронный газ» — совокупность всех этих электронов.

Водородная связь

В молекулах некоторых веществ возникает особая водородная связь. Для начала давайте рассмотрим молекулу фтороводорода HF. 

Фтор очень электроотрицателен. Поэтому он притягивает к себе общую электронную пару и, так как электроны заряжены отрицательно, на нем создается мощный частично отрицательный заряд, а на атоме водорода — частично положительный. 

В итоге между молекулами (между плюсом и минусом) возникает электростатическое притяжение. Это и называется водородной связью. 

Примеры: H₂O, растворы NH₃, HF, спирты (CH₃OH), фенолы (C₆H₅OH), карбоновые кислоты (CH₃COOH), первичные (CH₃NH₂) и вторичные (CH₃–NH–CH₃) амины, аминокислоты (H₂N–CH₂COOH).

Важно: Водородная связь может быть как межмолекулярной (между молекулами воды), так и внутримолекулярной (в молекуле салициловой кислоты).

Характеристики связи

Химическую связь можно описать целым рядом параметров. Начнем по порядку: 

• Длина связи — это расстояние между ядрами атомов. 

Чем больше атомы, тем больше расстояние между их ядрами и тем больше длина связи. 

Длина связи влияет на ее прочность — с уменьшением этого расстояния растет энергия связи и увеличивается ее прочность.

• Прочность связи отображает то, какую энергию нужно приложить, чтобы разрушить связь. 

Чем длиннее связь, тем проще ее разрушить. Чем меньше кратность связи, тем проще ее разорвать. 

Вспоминаем аналогию с Дженгой: чем выше Дженга, тем «легче» ей упасть.  

• Кратность связи — это количество химических связей между атомами. 

Кстати, количество связей, которое может образовать атом в молекуле, является еще и его валентностью.

Чем больше кратность связи, тем сложнее ее разрушить. 

• Полярность связи — отображает то, насколько велика разница электроотрицательностей атомов элементов. 

Чем больше разница ЭО, тем больше полярность. 

Ковалентная неполярная связь → ковалентная полярная связь → ионная связь. 
(в ряду полярность увеличивается)

В реальной жизни не все так однозначно. Химические связи очень чутко реагируют на окружающие их условия. Во время химических реакций и процессов на крошечные доли секунд могут образовываться гибридные и переходные связи. Некоторые из них обладают прочностью намного выше, чем у известных нам ковалентной, металлической и водородной связей. Изучение таких явлений является предметом для исследований современных ученых.

Фактчек

• Атомы в молекулах удерживаются определенными силами, которые называются химическими связями.
• Химическая связь обусловлена перекрытием орбиталей и созданием общих электронных пар. Атом старается приобрести электронную конфигурацию благородного газа (правило октета), так как это энергетически выгодно.
• Существует два механизма образования химической связи: обменный и донорно-акцепторный механизмы. В одной молекуле могут сочетаться оба этих механизма.
• Химическая связь бывает нескольких видов: ковалентная связь, ионная связь, металлическая связь, водородная связь.
• Химическая связь характеризуется длиной, прочностью, кратностью, полярностью.

Проверь себя 

Задание 1.
По какому механизму образована молекула аммиака NH₃? 

1. обменный механизм
2. донорно-акцепторный механизм
3. комбинация двух механизмов. 

Задание 2.
В каком веществе присутствуют только ионные связи? 

1. Na₂SiO₃
2. HF
3. BaI₂
4. SO₂

Задание 3.
В каком веществе присутствует три типа химических связей? 

1. CH₃Cl
2. CH₃COONa
3. BaSO₄
4. KCl

Задание 4.
В какой молекуле длина связи наибольшая? 

1. HF
2. HCl
3. HBr
4. HI

Ответы: 1. — 1; 2. — 3; 3. — 2; 4. — 4.