Ионная связь образуется между атомами металлов

Обновлено: 20.09.2024

Все вещества во Вселенной имеют свою структуру строения, которая объясняет их химические и физические свойства. Помимо агрегатного состояния и строения химических решеток, важное значение в системе строения имеет вид связи, которыми связаны частицы вещества.

Понятие о связи между частицами появилось в научном мире в XVIII веке, когда Уильям Хиггинс опубликовал свою научную работу о «некой связи, которая соединяет частицы веществ». Это знание стало предвестником теории о валентности, которая позже сменилась теорией о химических связях.

Современное знание о химии различает следующие типы связей:

металлическая;
ковалентная;
ионная;
водородная;
ван-дер-ваальсова.

Ионная связь может рассматриваться в качестве крайней формы ковалентной полярной связи. Это значит, что она происходит только между ионами и только между частицами с разной электроотрицательностью.

Ионная связь — особый вид химической связи между заряженными частицами (ионами), основанное на силах электростатического притяжения.

Ионная связь, образуется между элементами, электроотрицательность которых сильно отличается. При этом один из атомов превращается в положительно заряженный ион — катион, а второй в отрицательно заряженный — анион. Это объясняется тем, что электроны атома с меньшей ЭО практически полностью переходят к атому с большей ЭО.

Ионная связь характерна для соединений элементов-металлов с неметаллами.

Ионная связь характеризуется 2 главными чертами:

Эти качества влияют на растворимость соединений с ионной связью — они хорошо и практически полностью растворяются в полярных растворителях.

Электронное строение, как отличить от ковалентной

В отличие от ковалентной химической связи ионная связь образуется между ионами.

Ионы — частицы веществ, имеющие положительный или отрицательный заряд, но при этом образующиеся из нейтральных частиц.

По сути строения соединений, ионная связь является крайней формой ковалентной полярной связи. Полностью ионной связи в природе не существует — на какой-то процент она всегда остается ковалентной. Более того, в одном соединении одновременно могут существовать несколько видов связи, как это происходит, например, в молекуле фосфата аммония ( N H 4 ) 3 P O 4 .

Однако отличить ковалентную от ионной связи все же можно:

Ионная связь всегда образуется между положительно и отрицательно заряженными ионами.
Разница ЭО у химических элементов в ионной связи всегда превышает 1,7-2 по Полингу.
Электронная пара не просто смещена, а практически полностью переходит к атому с большей ЭО.
Внешняя электронная оболочка атомов связанных ионной связью будет либо полностью занятой, либо практически пустой.
Ионная связь не имеет кратности, не направлена и не насыщена.

Механизм формирования ионной связи на примере формирования фторида натрия можно проследить на схеме:

Заряды ионов и их классификация

Классификация ионов происходит по нескольким признакам:

по заряду;
по наличию водной оболочки;
по составу.

Заряды ионов бывают положительными и отрицательными. Положительные ионы называются катионами. Отрицательные — анионами. При ионной связи они соединяются для образования химических соединений.

По второму признаку ионы бывают гидратированными и негидратированными. Первые находятся в растворах и кристаллогидратах. Вторые — в безводных солях.

По составу ионы делятся на простые и сложные. Простые ионы образуются из одного атома. Сложные — состоят из нескольких.

По значению заряда ионы классифицируются на:

однозарядные ( K + );
двузарядные ( В а 2 + );
трехзарядные ( A l 3 + ).

Особенности ионной связи

Вещества с ионной химической связью имеют ряд особенностей:

низкая летучесть;
высокая температура плавления;
низкая электростатическая проводимость из-за специфического строения кристаллической решетки;
твердость, но при этом хрупкость веществ;
заметная растворимость соединений в полярных растворителях.

Как возникает, процесс взаимодействия, формулы

При формировании соединения с ионной связью одна из частиц отдает электроны, а вторая принимает их на свою электронную орбиталь.

Положительно заряженный ион образуется при отдаче электрона, анион же образуется при присоединении дополнительных электронов к атому. Обычно это атомы металла и неметалла, соответственно.

Пример ионной связи между металлом и неметаллом:

Иногда ионная связь образуется из неметаллов. Тогда электронная пара смещается к элементу с большей ЭО.

Ионная связь

В этом материале речь пойдет о том, что такое ионная связь и чем она отличается от других видов, которые изучают на уроках химии в 8 классе.

О чем эта статья:

Общие сведения о химических связях

Давайте вспомним, как образуются химические связи. Для этого представим атом: он состоит из ядра с положительным зарядом и набора отрицательно заряженных электронов, которые располагаются на нескольких уровнях. Внешний уровень называется валентным, на нем располагаются валентные электроны. Они могут образовывать пары или быть свободными, т. е. неспаренными.

Во взаимодействии двух атомов участвуют свободные электроны внешней оболочки. Сколько таких электронов имеется у атома — столько химических связей он может образовать.

При этом каждый атом стремится приобрести устойчивую конфигурацию — двух- или восьмиэлектронную внешнюю оболочку, подобную той, что есть у инертного газа. Атом может достичь ее, отдавая или принимая часть электронов, а также образуя общую электронную пару с другим атомом. Если в результате получается два разноименно заряженных иона, говорят об ионном типе связи. Он характерен для взаимодействия атомов металла и неметалла.

Определение ионной связи

Рассмотрим этот тип связи на примере реакции натрия и водорода, в результате которой получается гидрид натрия. У атома натрия Na есть один свободный электрон на внешнем уровне, в то время как атому водорода H не хватает одного электрона, чтобы завершить внешнюю оболочку и принять стабильную форму. Поскольку натрий имеет более низкую электроотрицательность, чем водород, он отдает свой валентный электрон и получает отрицательный заряд. Водород принимает этот электрон и получает положительный заряд. В итоге образуется два иона — катион Na + и анион H - .

Между положительным ионом Na + и отрицательным H - возникает электростатическое притяжение, которое и удерживает их вместе. Так образуется ионная связь в гидриде натрия.

Ионная связь — это тип химической связи, характерный для разноименно заряженных ионов, которые образовались в результате отдачи и присоединения электронов атомами. В нее вступают элементы с большой разностью электроотрицательности. Обычно так взаимодействуют атомы металла и неметалла.

Чаще всего именно так связаны в соединениях щелочные и щелочноземельные металлы с галогенами. Поскольку у щелочных металлов электроотрицательность ниже, их атомы становятся катионами, а атомы галогенов — анионами.

Механизм образования ионной связи похож на донорно-акцепторный механизм ковалентной связи. Первую даже называют крайним выражением второй.

Соли аммония NH₄NO₃, NH₄Cl, (NH₄)2SO₄ хоть и не являются соединениями металла и неметалла, но также образованы с помощью ионной связи.

Координационное число

Вернемся к нашему примеру с гидридом натрия и посмотрим на кристаллическую решетку, которую имеет это ионное соединение. Каждый ион Na + контактирует с шестью ионами H - . Это максимально возможное для данного иона число химических связей, оно называется координационным.

Координационное число — это количество ближайших соседей иона в ионной кристаллической решетке. По сути это количество связей, которые образует каждый ион в составе сложного вещества.

При рассмотрении ковалентной химической связи говорят о валентности — она характеризует, сколько связей есть у конкретного атома с другими атомами. Но к ионным соединениям это понятие не применяют, потому что все ионы в кристаллической решетке взаимодействуют друг с другом. Вместо этого есть координационное число, и оно отражает количество таких взаимодействий.

Примеры веществ с ионной связью

Таким же образом, как в гидриде натрия, ионы образуются и в других подобных ему соединениях. Например, в хлориде натрия NaCl атом натрия имеет один свободный электрон и отдает его атому хлора. В итоге оба завершают свой внешний уровень. Образуется ион натрия с положительным зарядом и отрицательно заряженный ион хлора.

Другой пример ионной химической связи — сульфид натрия Na2S. В данном случае у нас также есть натрий с одним свободным электроном и сера, у которой на внешнем уровне есть 2 свободных электрона из 6. Таким образом, чтобы завершить уровень и обрести стабильную форму, сере нужно 2 электрона. Поэтому в формуле сульфида серы присутствует два атома натрия.

Характеристики ионной связи

Мы узнали, как образуется ионная связь, а теперь поговорим о ее характеристиках. Она существенно отличается от других типов связи между атомами.

не имеет кратности.

Разберемся в каждом пункте и начнем с направленности. Ковалентная полярная связь направлена, потому что она подразумевает смещение общей электронной пары к тому атому, который имеет большую электроотрицательность. В случае с ионами все иначе. Согласно закону Кулона притяжение между отрицательным и положительным ионом идет по прямой, соединяющей эти заряженные частицы. В кристаллической решетке все разноименно заряженные ионы взаимодействуют друг с другом и притяжение распределяется равномерно, поэтому говорят, что ионная связь не направлена.

А как насчет насыщаемости? Эта характеристика указывает на то, что атом может вступить в ограниченное количество химических связей, поскольку имеет ограниченное число неспаренных электронов. Но ионная связь — это не процесс соединения свободных электронов в пары, а взаимное притяжение ионов. Каждый ион может притягивать к себе неограниченное число ближайших соседей, поэтому нет смысла говорить о насыщаемости.

Из вышесказанного понятно, что ионная связь не имеет и кратности. Эта характеристика означает число общих электронных пар у атома, но в данном случае мы рассматриваем притяжение между ионами.

Физические свойства ионной связи

Между ионами в молекуле всегда образуется достаточно сильное притяжение, поэтому вещества с ионной связью в обычных условиях твердые и нелетучие. Такие соединения сложно разрушить при помощи тепловой энергии, что обуславливает высокую температуру кипения и плавления. При этом ионы имеют небольшой радиус взаимодействия — это придает веществам хрупкость.

Свойства ионных соединений:

растворимость в воде,

Типичным веществом с ионными связями можно считать хлорид натрия NaCl или поваренную соль. Ее кристаллы в точности соответствуют всем характеристикам.

Как определить ионную связь

Чтобы быстро понять, является ли нужное нам соединение ионным, выполните следующие действия:

Посмотрите, какие элементы входят в состав соединения. Формула вещества с ионной связью должна включать металл и неметалл. Если это щелочной металл (I группа таблицы Менделеева) и галоген (VII группа), то связь между ними точно ионная.

По шкале Полинга определите электроотрицательности обоих элементов соединения. Если разница между ними больше 1,7 — связь ионная. Это объясняется тем, что такой тип связи характерен для веществ, у которых сильно отличаются показатели электроотрицательности.

Дополнительным способом убедиться в правильности результата может стать оценка физических свойств вещества. Если оно имеет высокую температуру кипения или плавления и проводит электроток — связь скорее всего ионная.

Вопросы для самопроверки:

Опишите, как образуется ионная связь. Какие условия для этого необходимы?

Что такое координационное число элемента в ионном соединении?

Каковы основные физические свойства ионных соединений?

В чем разница между характеристиками ионной и ковалентной связей?

Как можно определить ионную связь, зная электроотрицательность элементов в соединении?

Химическая связь

Какая сила удерживает вместе атомы в молекуле вещества и почему они не разбегаются в разные стороны? Эта сила называется химической связью, школьники узнают о ней в 8 классе. Еще Ньютон предположил, что она имеет электростатическую природу, но подробнее в этом разобрались лишь в начале ХХ века. Сейчас расскажем, что такое химическая связь и какой она бывает.

Химическая связь и строение вещества

Химическая связь — это взаимодействие между атомами в молекуле вещества, в ходе которого два электрона (по одному от каждого атома) образуют общую электронную пару либо электрон переходит от одного атома к другому.

Как понятно из определения химической связи, при взаимодействии двух атомов один из них может притянуть к себе внешние электроны другого. Эта способность называется электроотрицательностью (ЭО). Атом с более высокой электроотрицательностью (ЭО) при образовании химической связи с другим атомом может вызвать смещение к себе общей электронной пары.

Существует несколько систем измерения ЭО, но пользоваться для расчетов можно любой из них. Для образования химической связи важно не конкретное значение ЭО, а разница между этими показателями у двух атомов.

Механизм образования химической ковалентной связи

Существует два механизма взаимодействия атомов:

обменный — предполагает выделение по одному внешнему электрону от каждого атома и соединение их в общую пару;

донорно-акцепторный — происходит, когда один атом (донор) выделяет два электрона, а второй атом (акцептор) принимает их на свою свободную орбиталь.

Независимо от механизма химическая связь между атомами сопровождается выделением энергии. Чем выше ЭО атомов, т. е. их способность притягивать электроны, тем сильнее и этот энергетический всплеск.

Энергией связи называют ту энергию, которая выделяется при взаимодействии атомов. Она определяет прочность химической связи и по величине равна усилию, необходимому для ее разрыва.

Также на прочность влияют следующие показатели:

Длина связи — расстояние между ядрами атомов. С уменьшением этого расстояния растет энергия связи и увеличивается ее прочность.

Кратность связи — количество электронных пар, появившихся при взаимодействии атомов. Чем больше это число, тем выше энергия и, соответственно, прочность связи.

На примере химической связи в молекуле водорода посмотрим, как меняется энергия системы при сокращении расстояния между ядрами атомов. По мере сближения ядер электронные орбитали этих атомов начинают перекрывать друг друга, в итоге появляется общая молекулярная орбиталь. Неспаренные электроны через области перекрывания смещаются от одного атома в сторону другого, возникают общие электронные пары. Все это сопровождается нарастающим выделением энергии. Сближение происходит до тех пор, пока силу притяжения не компенсирует сила отталкивания одноименных зарядов.

Основные типы химических связей

Различают четыре вида связей в химии: ковалентную, ионную, металлическую и водородную. Но в чистом виде они встречаются редко, обычно имеет место наложение нескольких типов химических связей. Например, в молекуле фосфата аммония (NH₄)₃PO₄присутствует одновременно ионная связь между ионами и ковалентная связь внутри ионов.

Также отметим, что при образовании кристалла от типа связи между частицами зависит, какой будет кристаллическая решетка. Влияя на тип кристаллической решетки, химическая связь определяет и физические свойства вещества: твердость, летучесть, температуру плавления и т. д.

Основные характеристики химической связи:

насыщенность — ограничение по количеству образуемых связей из-за конечного числа неспаренных электронов;

полярность — неравномерная электронная плотность между атомами и смещение общей пары электронов к одному из них;

направленность — ориентация связи в пространстве, расположение орбиталей атомов под определенным углом друг к другу.

Ковалентная связь

Как уже говорилось выше, этот тип связи имеет два механизма образования: обменный и донорно-акцепторный. При обменном механизме объединяются в пару свободные электроны двух атомов, а при донорно-акцепторном — пара электронов одного из атомов смещается к другому на его свободную орбиталь.

Ковалентная связь — это процесс взаимодействия между атомами с одинаковыми или близкими радиусами, при котором возникает общая электронная пара. Если эта пара принадлежит в равной мере обоим взаимодействующим атомам — это неполярная связь, а если она смещается к одному из них — это полярная связь.

Как вы помните, сила притяжения электронов определяется электроотрицательностью атома. Если у двух атомов она одинакова, между ними будет неполярная связь, а если один из атомов имеет большую ЭО — к нему сместится общая электронная пара и получится полярная химическая связь.

В зависимости от того, сколько получилось электронных пар, химические связи могут быть одинарными, двойными или тройными.

Ковалентная неполярная связь образуется в молекулах простых веществ, неметаллов с одинаковой ЭО: Cl₂, O₂, N₂, F₂ и других.

Посмотрим на схему образования этой химической связи. У атомов водорода есть по одному внешнему электрону, которые и образуют общую пару.

Ковалентная полярная связь характерна для неметаллов с разным уровнем ЭО: HCl, NH₃,HBr, H₂O, H₂S и других.

Посмотрим схему такой связи в молекуле хлороводорода. У водорода имеется один свободный электрон, а у хлора — семь. Таким образом, всего есть два неспаренных электрона, которые соединяются в общую пару. Поскольку в данном случае ЭО выше у хлора, эта пара смещается к нему.

Другой пример — молекула сероводорода H₂S. В данном случае мы видим, что каждый атом водорода имеет по одной химической связи, в то время как атом серы — две. Количество связей определяет валентность атома в конкретном соединении, поэтому валентность серы в сероводороде — II.

Число связей, которые могут быть у атома в молекуле вещества, называется валентностью.

Характеристики ковалентной связи:

Ионная связь

Как понятно из названия, данный тип связи основан на взаимном притяжении ионов с противоположными зарядами. Он возможен между веществами с большой разницей ЭО — металлом и неметаллом. Механизм таков: один из атомов отдает свои электроны другому атому и заряжается положительно. Второй атом принимает электроны на свободную орбиталь и получает отрицательный заряд. В результате этого процесса образуются ионы.

Ионная связь — это такое взаимодействие между атомами в молекуле вещества, итогом которого становится образование и взаимное притяжение ионов.

Разноименно заряженные ионы стремятся друг к другу за счет кулоновского притяжения, которое одинаково направлено во все стороны. Благодаря этому притяжению образуются ионные кристаллы, в решетке которых заряды ионов чередуются. У каждого иона есть определенное количество ближайших соседей — оно называется координационным числом.

Обычно ионная связь появляется между атомами металла и неметалла в таких соединениях, как NaF, CaCl2, BaO, NaCl, MgF2, RbI и других. Ниже схема ионной связи в молекуле хлорида натрия.

Все соли образованы с помощью ионных связей, поэтому в задачах, где нужно определить тип химической связи в веществах, в качестве подсказки можно использовать таблицу растворимости.

Характеристики ионной связи:

не имеет направленности.

Ковалентная и ионная связь в целом похожи, и одну из них можно рассматривать, как крайнее выражение другой. Но все же между ними есть существенная разница. Сравним эти виды химических связей в таблице.

Характеризуется появлением электронных пар, принадлежащих обоим атомам.

Характеризуется появлением и взаимным притяжением ионов.

Общая пара электронов испытывает притяжение со стороны обоих ядер атомов.

Ионы с противоположными зарядами подвержены кулоновскому притяжению.

Имеет направленность и насыщенность.

Ненасыщенна и не имеет направленности.

Количество связей, образуемых атомом, называется валентностью.

Количество ближайших соседей атома называется координационным числом.

Образуется между неметаллами с одинаковой или не сильно отличающейся ЭО.

Образуется между металлами и неметаллами — веществами со значимо разной ЭО.

Металлическая связь

Отличительная особенность металлов в том, что их атомы имеют достаточно большие радиусы и легко отдают свои внешние электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы (катионы). В итоге получается кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы, а вокруг беспорядочно перемещаются электроны проводимости, образуя «электронное облако» или «электронный газ».

Свободные электроны мигрируют от одного иона к другому, временно соединяясь с ними и снова отрываясь в свободное плавание. Этот механизм по своей природе имеет сходство с ковалентной связью, но взаимодействие происходит не между отдельными атомами, а в веществе.

Металлическая связь — это взаимодействие положительных ионов металлов и отрицательно заряженных электронов, которые являются частью «электронного облака», рассеянного по всему объему вещества.

Наличие такого «электронного облака», которое может прийти в направленное движение, обусловливает электропроводность металлов. Другие их качества — пластичность и ковкость, объясняются тем, что ионы в кристаллической решетке легко смещаются. Поэтому металл при ударном воздействии способен растягиваться, но не разрушаться.

Характеристики металлической связи:

Металлическая связь присуща как простым веществам — таким как Na, Ba, Ag, Cu, так и сложным сплавам — например, AlCr₂, CuAl₁₁Fe₄, Ca₂Cu и другим.

Схема металлической связи:

M — металл,

n — число свободных внешних электронов.

К примеру, у железа в чистом виде на внешнем уровне есть два электрона, поэтому его схема металлической связи выглядит так:

Обобщим все полученные знания. Таблица ниже описывает кратко химические связи и строение вещества.

Водородная связь

Данный тип связи в химии стоит отдельно, поскольку он может быть как внутри молекулы, так и между молекулами. Как правило, у неорганических веществ эта связь происходит между молекулами.

Водородная связь образуется между молекулами, содержащими водород. Точнее, между атомами водорода в этих молекулах и атомами с большей ЭО в других молекулах вещества.

Объясним подробнее механизм этого вида химической связи. Есть молекулы А и В, содержащие водород. При этом в молекуле А есть электроотрицательные атомы, а в молекуле В водород имеет ковалентную полярную связь с другими электроотрицательными атомами. В этом случае между атомом водорода в молекуле В и электроотрицательным атомом в молекуле А образуется водородная связь.

Графически водородная связь обозначается тремя точками. Ниже приведена схема такого взаимодействия на примере молекул воды.

В отдельных случаях водородная связь может образоваться внутри молекулы. Это характерно для органических веществ: многоатомных спиртов, углеводов, белковых соединений и т. д.

Характеристики водородной связи:

Кратко о химических связях

Итак, самое главное. Химической связью называют взаимодействие атомов, причиной которого является стремление системы приобрести устойчивое состояние. Во время взаимодействия свободные внешние электроны атомов объединяются в пары либо внешний электрон одного атома переходит к другому.

Образование химической связи сопровождается выделением энергии. Эта энергия растет с увеличением количества образованных электронных пар и с сокращением расстояния между ядрами атомов.

Основные виды химических связей: ковалентная (полярная и неполярная), ионная, металлическая и водородная. В отличие от всех остальных водородная ближе к молекулярным связям, поскольку может быть как внутри молекулы, так и между разными молекулами.

Как определить тип химической связи:

Ковалентная полярная связь образуется в молекулах неметаллов между атомами со сходной ЭО.

Ковалентная неполярная связь имеет место между атомами с разной ЭО.

Ионная связь ведет к образованию и взаимному притяжению ионов. Она происходит между атомами металла и неметалла.

Металлическая связь бывает только между атомами металлов. Это взаимодействие положительных ионов в кристаллической решетке и свободных отрицательных электронов. Масса рассеянных по всему объему свободных электронов представляет собой «электронное облако».

Водородная связь появляется при условии, что есть атом с высокой ЭО и атом водорода, связанный с другой электроотрицательной частицей ковалентной связью.

Химическая связь и строение молекулы: типом химической связи определяется кристаллическая решетка вещества: ионная, металлическая, атомная или молекулярная.

Основные виды химической связи в веществах

В конце XVIII века Уильям Хиггинс опубликовал научную работу, в которой описал предположение о существовании неких связей между частицами всех веществ. Эта теория стала предвестником теории о валентности, которая на тот момент воспринималась как «соединительная сила» веществ.

Такие представления существовали в мире химии до открытия электрона. С момента возникновения теории о химических связях понятие валентности было вытеснено из научного толкования, а сам термин стал претерпевать значительные изменения.

Теория химических связей смогла более точно объяснить связь частиц тех веществ, с которыми сталкивался человек. Определение химической связи звучит следующим образом:

Химическая связь — это взаимодействие атомов, осуществляемое путем обмена электронами или их перехода от одного атома к другому.

Благодаря стремлению веществ к более стабильным и устойчивым состояниям с минимальным расходом энергии появляются различные химические соединения.

Основными характеристиками химической связи являются:

прочность;
длина;
полярность.

Процесс образования химических связей не может происходить бесследно для вещества. Он всегда сопровождается выделением энергии химической связи.

Большую роль в процессе формирования химической связи играют валентные электроны, находящиеся на внешнем энергетическом уровне (электронном слое) атома. Они вступают во взаимодействие с другими атомами, образуя новые химические соединения.

Способность притягивать электроны — электроотрицательность — играет важную роль при образовании химической связи и определяет ее вид. По правилу октета завершенным считается внешний энергетический уровень, содержащий 8 электронов у большинства веществ и 2 электрона у гелия.

Современная химия различает несколько видов связей:

Основные теории и представления

До открытия электрона представления о химической связи заключались в теории валентности — способности атомов образовывать химические связи в определенном количестве, ограниченном числом неспаренных электронов.

Точное и полное понимание теории сложилось к 1852 году, когда свой труд о соединительной силе атомов опубликовал химик Эдуард Франкленд. Он переосмыслил все знания о валентности, существовавшие до него и объединил их в одну теорию, согласно которой появилось учение о валентности.

В 1861 году в теорию внес свой вклад А. М. Бутлеров, который показал четкое различие между изолированным и входящим в состав соединение атомом. Эти знания позволили получить наглядное изображение атома в виде первых молекулярных моделей.

Дальнейшие основные теории химической связи делятся на:

К электронным теориям относятся электронная теория химической связи и Боровская модель.

Электронная теория сформировалась в 1912-16 годах американским физиком и химиком Г. Н. Льюисом. Она стала основой классической теории строения в органической части химических исследований. Согласно этой теории атомы, вступающие в связь при ковалентном соединении, имеют общую электронную плотность, которая делится между ними.

Это мнение шло в противовес господствовавшей тогда теории о положительном и отрицательном заряде атомов, которые несут разные атомы. Также концепция Льюиса включала формулирование правило октета.

Боровская модель была опубликована в 1913 году Нильсом Бором в статье «Системы, содержащие несколько ядер». Согласно модели, электроны атомов образовывают кольцо, которое вращается перпендикулярно оси молекулы. Однако эта система требовала усовершенствования и доработки, а все попытки их осуществления приводили к неудачам.

Квантовые теории химической связи включают в себя теорию валентных связей и теорию молекулярных орбиталей.

В 1927 году В. Гайтлером и Ф. Лондоном была заложена теория валентных связей, основанная на том, что каждая пара атомов в молекуле удерживается при помощи общих электронных пар.

Молекулу как целый объект рассматривает теория молекулярных орбиталей. Согласно ей молекула является сложной системой, и поэтому должна рассматриваться как целое и не разбиваться при исследованиях на более мелкие частицы, иначе они теряют свои свойства. Данная теория описывает свойства отдельных молекул и дает понимание о распределении плотности вероятности обнаружения электрона в заданном пространстве.

Виды химических связей в неорганических, органических и комплексных соединениях

Химические соединения имеют сложную структуру. Одна молекула может иметь сразу несколько видов химической связи.

Химия выделяет 4 основных вида химической связи. Это:

ковалентная;
ионная;
металлическая;
межмолекулярная.

Ковалентная связь при взаимодействии атомов бывает двух видов: полярная и неполярная. Атомы объединяются по типу обменного механизма или по донорно-акцепторному механизму. В таком соединении важна электроотрицательность атомов.

Электроотрицательность (ЭО) — способность атома в молекуле притягивать электронные пары в свою сторону.

Неполярная ковалентная связь образуется между двумя атомами с одинаковой электроотрицательностью. Обычно это молекулы одного химического элемента, например, хлор C l 2 , азот N 2 , кислород O 2 и другие. Полюс + или – в такой связи отсутствует, а электронная плотность распределяется равномерно.

Полярная ковалентная связь образуется между атомами с разной электроотрицательностью, то есть с атомами разных химических элементов. В таких соединениях полюс + или – смещается к одному из элементов, более электроотрицательному. К таким соединениям относятся йодистый водород H I , вода H 2 O , хлористый водород H C l .

Обменный механизм образования ковалентной связи предполагает, что каждый атом предоставляет по одному неспаренному электрону для создания общей электронной пары, располагающейся между ядрами взаимодействующих атомов. Эта общая электронная пара и является одинарной ковалентной связью.

При донорно-акцепторном механизме один атом становится донором своей неподеленной пары, а второй не отдавая электроны вовсе, лишь предоставляет место для них на своей пустой (свободной или вакантной) орбитали.

Ковалентная связь характерна как для неорганических, так и органических соединений. Образуется преимущественно между атомами неметаллов.

Ионная связь образуется между атомами веществ, электроотрицательность которых сильно отличается (чаще всего между атомами металла и неметалла). При такой связи электрон атома с меньшей ЭО практически полностью переходит к электрону атома с бОльшей ЭО, превращая первый атом в катион, а второй — в анион. Соединения, имеющие ионные связи, как правило, состоят из ионов и являются электролитами.

Ионы — частицы, имеющие заряд, но образующиеся из нейтральных частиц.

По строению ионная связь имеет сходство с ковалентной и даже считается крайней формой полярной ковалентной связи. Примерами веществ с ионной связью являются: соединения оксид натрия N a 2 O , хлорид калия K C l , гидрооксид кальция C a ( O Н ) 2 , серная кислота H 2 S O 4 и многие другие. Ионная связь характерна для соединений металлов с неметаллами.

Атомы металла вместе удерживает металлическая связь. По природе эта связь близка и к ковалентной и к ионной связям, но отличается от нее наличием высокой концентрации в металлах электронов проводимости (электронный газ). Металлическая связь образуется в простых веществах: металлах и их сплавах. Относится к одному из трех основных типов химических связей.

Соединения неметаллов с водородом имеют удивительные свойства, объясняющиеся возникновением межмолекулярных связей. Это заметили химики еще до появления современной теории о химических связях.

Водородная связь образуется между атомом водорода, принадлежащим одной молекуле, и атомом другой молекулы, имеющим большее значение ЭО: например, фтористый водород H F , этанол C 2 H 5 O H , аммиак N H 3 .

Водородные связи могут образовываться как между отдельными молекулами, так и внутри одной из них (внутримолекулярная водородная связь).

Как определить тип, свойства

Каждому веществу свойственен свой тип связи и определенные свойства.

Вид химической связи определяется следующим образом:

Определение элементов в соединении.
Определение ЭО.
Металл и неметалл вступают в ионную связь.
Два металла вступают в металлическую связь.
Два неметалла вступают в ковалентную связь.
Два равных по ЭО элемента вступают в неполярную ковалентную связь.
Два неравных по ЭО элемента вступают в полярную ковалентную связь.
Водород и атом с бОльшей ЭО, относящиеся к разным молекулам или группам, образуют особый тип межмолекулярной связи - водородную связь.

Химические связи проходят сравнение по разным количественным характеристикам, среди которых:

порядок связей или кратность химической связи;
полярность;
энергия;
длина.

Порядок связей включает в себя описание количества электронных пар, которые вступили в связь. Он описывает количество электронов, вступивших в химическую связь.

Полярность связи показывает смещение электронной плотности к атомам — электроотрицательность элемента.

Энергия определяет прочность химической связи, от которой зависит насколько сложно разъединить атомы.

Длина связи определяет расстояние между атомами, связанными химической связью. Она не может быть определена точно, поэтому определяется экспериментально.

Ионная и металлическая связь

До появления знания об электроне, в науке главенствовала теория о валентности как о скрепляющей атомы внутри вещества силе.

Ее предвестником стала научная работа Уильяма Хиггинса, ирландского химика конца XVIII века, который описал существование неких связей между частицами веществ.

В начале прошлого века, когда появилась модель атомного ядра и выяснилось, что оно состоит из частиц трех видов: электронов, протонов и нейтронов — теория о валентности сменилась теорией о химических связях.

Феномен химических связей объясняется стремлением всего к упорядочиванию. Частицы веществ стремятся к наиболее стабильным и устойчивым формам с минимальным расходом энергии, благодаря чему появляется множество соединений.

Современная химия различает до шести видов связей, но чаще всего рассматривает только первые четыре из них:

металлическая;
ковалентная;
ионная;
водородная;
ван-дер-ваальсова;
двухэлектронная трехцентровая химическая.

От типа химической связи зависят ее свойства, а также строение химических решеток, структура и способы взаимодействия атомов и частиц.

Самой распространенной химической связью является ковалентная полярная, а остальные чаще всего являются либо крайними ее формами, либо вариациями с металлическими и нехарактерными неметаллическими химическими элементами в соединениях.

Ионная химическая связь

Ионная связь получила свое название от «иона» — частицы, вступающей в связь в соединении.

Ионная химическая связь — особый вид химической связи между частицами, основное действие которого направленно на заряженные частицы — ионы.

Ионная связь является крайней формой ковалентной полярной связи. При образовании, происходит поляризация атомов, в следствии чего образуются ионы.

Ионы — одноатомные или многоатомные частицы, имеющие ярко выраженный электрический заряд. Делятся на катионы — положительно заряженные атомы, и анионы — отрицательно заряженные.

Ионы могут иметь разный заряд и классифицируются по значению заряда на:

однозарядную ( K + );
двузарядную ( O 2 + );
трехзарядную ( A l 3 + ) группы.

Частицы, вступающие в ионную связь, должны иметь большую разницу в 2 определение — электроотрицательности — способности притягивать электронные пары к себе. По Полингу для образования ионной связи необходима разница в 1,7 и более.

При таком виде химической связи происходит почти полный переход одного электрона к другому атому. Частицы с меньшей ЭО практически полностью переходят во владения частицы с большей ЭО, однако полного перехода никогда не случается.

Отчуждение электронов называется окислением, а присоединение — восстановлением.

Полного разделения на + и – заряженные частицы нет, так как частицы пересекаются своим электронными орбиталями и связываются очень прочной связью, а также имеют сильное электростатическое взаимодействие между частицами.

Ионная связь характерна для соединений металлов и неметаллов, реже для соединений неметаллов с неметаллами, присутствует в оксидах, гидроксидах, гидридах щелочных и щелочноземельных металлов, в солях, соединениях металлов с галогенами.

Ионная связь характеризуется двумя главными чертами:

Атомы металлов имеют возможность соединяться не только с неметаллами, но и между собой. В таком случае происходит формирование металлической связи.

Металлическая химическая связь — особый вид химической связи, образующийся между атомами металлов за счет обобществления их крайних электронных оболочек и валентных электронов.

В металлическую связь вступают частицы двух видов:

ионизированных атомов металлов, которые в процессе формирования отдают электроны, а значит получают положительный заряд;
свободных электронов, называемых «электронным газом», имеющих отрицательный заряд по своей природе происхождения.

Металлическая связь образуется только в веществах, а не между отдельными атомами. При этом связи внутри вещества связи не перманенты и не отличаются постоянством.

Кристаллическая решетка в веществах с металлической связью образуется в виде некого каркаса, в узлах которого находятся ионы металлов, а между ними в свободной форме путешествует «электронный газ», состоящий из свободных электронов.

Форма кристаллической решетки отличается в зависимости от группы, к которой относится металл:

щелочные металлы (литий Li, калий K, рубидий Rb и другие) имеют объемно-центрированную кубическую кристаллическую решетку;
переходные элементы (алюминий Al, медь Cu, цинк Zn и другие) имеют гранецентрированную кубическую форму решетки;
щелоноземельные металлы (бериллий Be, кальций Ca, радий Ra, кроме бария) имеют гексагональную решетку;
индий In имеет тетрагональную решетку;
ртуть Hg имеет ромбоэдричсекую решетку.

Соединения, обладающие металлической связью, представляют собой либо чистые соединения металлов, либо их сплавы, которые образуют новые вещества, например, бронзу, сталь, чугун, латунь и другие.

Все металлы и их сплавы имеют сходные физические свойства:

металлический блеск;
теплопроводность материала;
высокая ковкость, пластичность материала;
хорошая электропроводность;
твердое агрегатное состояние в нормальных условиях среды;
высокая плотность материала.

Чем отличаются друг от друга и от ковалентной, что общего

Основные виды химической связи имеют довольно сходный принцип строения по природе происхождения. Они переплетаются между собой и имеют общие признаки. Более того, внутри одной молекулы нередко бывают сразу несколько видов химических связей.

Металлическая и ионная связь сходны между собой, а также сходны с ковалентной связью.

Металлическая и ковалентная связи сходны тем, что электроны, вступающие в связь обоих видах, становятся общими и принадлежат всем атомам либо в виде электронных пар, либо в виде электронного газа.

Ионная и ковалентная связи имеют сходство принципом строения. По сути происхождения, ионная связь является крайней формой ковалентной полярной связи. Полностью ионной связи в природе не существует — на какой-то процент она всегда остается ковалентной.

Металлическая связь сходна с ионной тем, что атомы металлов в соединениях легко отдают свои валентные электроны, которые слабо связаны со своими атомными ядрами. Отрыв электронов от ядра приводит к формированию ионизированных катионов металлов.

Однако отличия между связями все же есть. Именно по ним можно определить тип химической связи в соединении.

Металлическая от ковалентной связи отличается, в первую очередь, тем, что происходит между двумя атомами металлов, а не неметаллов. Благодаря этому она имеет высокую концентрацию электронов проводимости в своих атомах. Она менее прочна, чем ковалентная, а ее энергия связей меньше в 3-4 раза.

В отличие от ковалентной связи металлическая:

ненасыщаема — объединяет большое количество атомов;
ненаправлена — из-за сферической формы орбиталей;
делокализирована — электроны в связи обобществляются всеми атомами соединения.

Ионная связь в отличие от ковалентной происходит между атомами металлов и неметаллов, реже между неметаллами. Она образуется между катионами и отрицательно заряженными электронами, которые не привязаны к одному ядру, а свободно движутся по кристаллической решетке.

Металлическая от ионной связи отличается:

типом связываемых частиц — у металлической связи нет как такового аниона, вместо него катионы притягивают электронный газ;
прочностью связи при ударе — взаимное смещение катионов не приводит к разрыву, но если в связи находятся катион и анион, то связь может быть разорвана.

Как образуется ионная и металлическая связь, примеры

Ионная связь образуется между металлом и неметаллом (иногда неметаллом и неметаллом) с разным уровнем электроотрицательности. Ионы могут быть простыми и иметь только один атом, как, например, C l - , N a + , так и сложными и иметь несколько атомов и общий уровень заряда при них, как, например, N H 4 - .

Графически образование ионной связи можно проследить на схеме образования соединения натрия и хлора:

По принципу ионной связи образуются также хлороводород HCl, оксид кальция CaO, фторид натрия NaF, бромид серебра AgBr и другие.

Металлическая связь образуется между двумя неметаллами. В связь вступают ионы металла и свободные электроны. Основой для образования металлической химической связи является наличие свободных атомных орбиталей, а также свободных электронов.

Схему образования металлической связи одной формулой можно записать следующим образом:

Число n будет зависеть от места химического элемента в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева. Число внешних электронов равно номеру группы, в которой находится металл.

Читайте также: