Химическая связь и типы взаимодействия молекул

 

Химическая связь – это взаимодействие атомов, обусловленное перекрыванием их электронных облаков и сопровождающееся уменьшением полной энергии системы.

В зависимости от характера распределения электронной плотности между взаимодействующими атомами различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Основные характеристики связи:

Энергия связи (Е, кДж/моль) – количество энергии, выделяющееся при образовании химической связи. Чем больше энергия связи, тем устойчивее молекулы.

Длина связи – расстояние между ядрами химически связанных атомов.

Кратность связи – определяется количеством электронных пар, связывающих два атома. С увеличением кратности связи длина связи уменьшается, а прочность ее возрастает.

Валентный угол – угол между воображаемыми линиями, которые можно провести через ядра связанных атомов. Валентный угол определяет геометрию молекул.

Дипольный момент возникает, если связь образована между атомами элементов с разной электроотрицательностью и служит мерой полярности молекулы.

 

 

Ковалентная связь

 

Ковалентная связь образуется путем обобществления пары электронов двумя атомами. Особенностями ковалентной химической связи являются ее направленность и насыщаемость. Направленность обусловлена тем, что атомные орбитали имеют определенную конфигурацию и расположение в пространстве. Перекрывание орбиталей при образовании связи осуществляется по соответствующим направлениям. Насыщаемость обусловлена ограниченными валентными возможностями атомов.

Различают ковалентную полярную и неполярную связь. Ковалентная неполярная связь образуется между атомами с одинаковой электроотрицательностью; обобществленные электроны равномерно распределены между ядрами взаимодействующих атомов. Ковалентная полярная связь образуется между атомами с различной электроотрицательностью; общие электронные пары смещены в сторону более электроотрицательного элемента.

Возможны два механизма образования ковалентной связи: 1) спаривание электронов двух атомов при условии противоположной ориентации их спинов (обменный механизм); 2) донорно-акцепторное взаимодействие, при котором общей становится электронная пара одного из атомов (донора) при наличии энергетически выгодной свободной орбитали другого атома (акцептора).

Часто в образовании связи участвуют электроны разных подуровней, а, следовательно, орбитали разных конфигураций. В этом случае может происходить гибридизация (смешение) электронных облаков (орбиталей). Образуются новые, гибридные облака с одинаковой формой и энергией. Число гибридных орбиталей равно числу исходных. В гибридной атомной орбитали (АО) электронная плотность смещается в одну сторону от ядра, поэтому при взаимодействии ее с АО другого атома происходит максимальное перекрывание, приводящее к повышению энергии связи. Гибридизация АО определяет пространственную конфигурацию молекул.

Так, при смешении одной s-орбитали и одной p-орбитали, образуются две гибридные орбитали, угол между которыми = 180^о, такой тип гибридизации называется sp-гибридизацией. Молекулы, в которых осуществляется sp-гибридизация, имеют линейную геометрию (C₂H₂, BeF₂).

При смешении одной s и двух p-орбиталей образуются 3 гибридные орбитали, угол между которыми = 120^о. Такой тип гибридизации называется sp²-гибридизацией, ему соответствует образование плоской треугольной молекулы (BF₃, C₂H₄).

При смешении одной s и трех p-орбиталей образуются четыре sp³-гибридные орбитали, угол между которыми = 109^о28'. Форма такой молекулы является тетраэдрической. Примеры таких молекул: CCl₄, CH₄, GeCl₄.

При определении типа гибридизации необходимо также учитывать неподеленные электронные пары элемента. Например, кислород в молекуле воды (Н₂О) имеет sp³-гибридизацию (4 гибридных орбитали), а химическая связь с атомами водорода образована двумя электронными парами.

Возможны также более сложные виды гибридизации с участием d и f-орбиталей атомов.

 

Ионная связь

 

Ионная связь представляет собой электростатическое взаимодействие отрицательно и положительно заряженных ионов в химическом соединении. Ее можно рассматривать как предельный случай ковалентной полярной связи. Такая связь возникает лишь в случае большой разности электроотрицательностей взаимодействующих атомов, например между катионами s-металлов I и II групп периодической системы и анионами неметаллов VI и VII групп (LiF, CsCl, KBr и др.).

Так как электростатическое поле иона имеет сферическую симметрию, то ионная связь не обладает направленностью. Ей также не свойственна насыщаемость. Все ионные соединения в твердом состоянии образуют ионные кристаллические решетки, в узлах которых каждый ион окружен несколькими ионами противоположного знака. Чисто ионной связи не существует. Можно говорить лишь о доле ионности связи.

 

Металлическая связь

 

В отличие от ковалентных и ионных соединений, в металлах небольшое число электронов одновременно связывает большое число ядерных центров, а сами электроны могут перемещаться в металле. Таким образом, в металлах имеет место сильно нелокализованная химическая связь.

 

Биогенные элементы

 

Элементы, необходимые организму для построения и жизнедеятельности клеток и органов, называют биогенными элементами.