9.1: Типы химических связей

Теории химической связи были изобретены американским химиком Гилбертом Н. Льюисом. Он разработал модель, названную моделью Льюиса, чтобы объяснить тип и образование различных связей. Химическая связь занимает центральное место в химии; он объясняет, как атомы или ионы связываются вместе, образуя молекулы. Это объясняет, почему одни связи сильные, а другие слабые, или почему один углерод связывается с двумя атомами кислорода, а не с тремя; почему вода - это H ₂ O, а не H ₄ O. & nbsp;

Ионные связи

Ионы - это атомы или молекулы, несущие электрический заряд. Катион (положительный ион) образуется, когда нейтральный атом теряет один или несколько электронов из своей валентной оболочки, а анион (отрицательный ион) образуется, когда нейтральный атом получает один или несколько электронов в своей валентной оболочке. Соединения, состоящие из ионов, называются ионными соединениями (или солями), а составляющие их ионы удерживаются вместе ионными связями: электростатическими силами притяжения между противоположно заряженными катионами и анионами.

Свойства ионных соединений проливают некоторый свет на природу ионных связей. Ионные твердые тела имеют кристаллическую структуру и имеют тенденцию быть жесткими и хрупкими; они также имеют высокие точки плавления и кипения, что говорит о том, что ионные связи очень прочны. Ионные твердые вещества также являются плохими проводниками электричества по той же причине — прочность ионных связей препятствует свободному перемещению ионов в твердом состоянии. Однако большинство ионных твердых частиц легко растворяются в воде. После растворения или расплавления ионные соединения являются превосходными проводниками электричества и тепла, так как ионы могут свободно перемещаться.

Ковалентные связи

Неметаллические атомы часто образуют ковалентные связи с другими неметаллическими атомами. Ковалентные связи образуют, когда электроны разделены между атомами и притягиваются ядрами обоих атомов. Если атомы, образуя ковалентную связь, идентичны, как в H₂, Cl₂ и других двухатомных молекулах, то электроны в связи должны быть поделены поровну. Это называется чистой ковалентной связью. Когда атомы, связанные ковалентной связью, отличаются, связывание электронов разделено, но более не одинаково. Вместо этого, связывание электронов притягивается к одному атому больше, чем к другому, что приводит к смещению плотности электронов в сторону этого атома. Такое неравное распределение электронов известно как полярная ковалентная связь.

Соединения, содержащие ковалентные связи, имеют иные физические свойства, чем ионные соединения. Поскольку притяжение между молекулами, которые электрически нейтральны, слабее, чем между электрически заряженными ионами, ковалентные соединения, как правило, имеют гораздо более низкие точки плавления и кипения, чем ионные соединения. Кроме того, в то время как ионные соединения являются хорошими проводниками электричества при растворении в воде, большинство ковалентных соединений нерастворимы в воде; поскольку они электрически нейтральны, они являются плохими проводниками электричества в любом состоянии.

Металлические связи

Металлические связи образуются между двумя атомами металла. Пол Дрюде разработал упрощенную модель для описания металлического связывания, которая называется «Модель электронного моря». На основе низкой энергии ионизации металлов модель заявляет, что атомы металлов легко теряют свои валентные электроны и становятся катионами. Эти валентные электроны создают море делокализованных электронов, окружающих катионы по всему металлу.  

Металлические твердые частицы, такие как кристаллы меди, алюминия и железа, образуются атомами металла, и все они обладают высокой теплопроводностью и электропроводностью, металлическим блеском и ковальностью. Многие из них очень твёрдые и довольно прочные. Из-за своей ковкости (способности к деформации под давлением или при ударе) они не раскалываются и, следовательно, делают используются в производстве полезных строительных материалов. Точки плавления металлов сильно различаются. Ртуть является жидкостью при комнатной температуре, а щелочные металлы расплавляются при температуре ниже 200 °C. Несколько металлов после перехода также имеют низкие точки плавления, в то время как переходные металлы плавляются при температурах выше 1000 °C. Эти различия отражают различия в прочности металлического соединения между металлами.  

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 7.1: Ионные связи, Openstax, Химия 2е изд., раздел 7.2: Ковалентные связи, и Openstax, Химия 2е изд., раздел 10.5: Твердое состояние вещества.

Химические связи необходимы атомам для образования различных соединений, таких как соль, вода или сплавы. Понимание образования химической связи или, более конкретно, притяжения между атомами, поможет понять и предсказать поведение молекул. Ядро атома состоит из нейтронов и положительно заряженных протонов и окружено отрицательно заряженными электронами.

Когда два атома приближаются друг к другу, электроны одного атома притягиваются к ядру другого атома и наоборот. Одновременно ядра обоих атомов отталкиваются друг от друга, как и электроны каждого атома. Когда эти взаимодействия приводят к общему снижению потенциальной энергии, образуется химическая связь.

Есть три типа химических связей. Металл и неметалл, например натрий и хлор, образуют ионную связь. Металлы имеют низкую энергию ионизации, что облегчает отрыв электронов с атома.

Эти электроны легко принимаются неметаллами из-за их высокого сродства к электрону и стремления достичь полной валентной оболочки. Следовательно, металл передает электроны неметаллу, образуя катион и анион. Эти заряженные частицы притягиваются друг к другу, создавая ионную связь.

Второй тип это ковалентные связи, образованные между двумя неметаллами, такими как углерод и два атома кислорода, образующие диоксид углерода. Неметаллы имеют высокую энергию ионизации, что затрудняет отрыв и перенос валентных электронов от одного атома к другому, поэтому электроны распределяются между атомами. Эти общие электроны взаимодействуют с обоими ядрами связанных атомов и понижают потенциальную энергию.

Последний тип это металлическая связь, образующаяся между двумя атомами металла. Атомы металлов легко теряют валентные электроны, образуя пул электронов согласно простейшей модели металлической связи. Валентные электроны становятся делокализованными по всему металлу, и положительно заряженные атомы металла притягиваются к этому пулу электронов, который удерживает атомы вместе.