Сначала изучите: Периодический закон и система
Почему атомы соединяются? Потому что при образовании химической связи выделяется энергия и система переходит в более устойчивое состояние: каждый атом приобретает устойчивую (чаще всего восьмиэлектронную — октет, а у водорода двухэлектронную) внешнюю оболочку. Тип связи определяет важнейшие свойства вещества: твёрдость, температуры плавления и кипения, электропроводность, растворимость в воде. Например, поваренная соль твёрдая и плавится при высокой температуре, потому что в ней ионная связь, а метан при обычных условиях — газ, потому что притяжение между его молекулами очень слабое. Тема опирается на знания о строении атома и периодическом законе и необходима для понимания органической химии.
§1. Ковалентная связь
Ковалентная связь образуется за счёт общих для двух атомов электронных пар, обычно между атомами неметаллов. Полярность связи зависит от разности электроотрицательностей атомов.
- Неполярная ковалентная связь — между одинаковыми атомами: H₂, Cl₂, O₂, N₂. Общая электронная пара расположена симметрично между ядрами.
- Полярная ковалентная связь — между неметаллами с разной электроотрицательностью: HCl, H₂O, NH₃. Общая пара смещена к более электроотрицательному атому, на атомах появляются частичные заряды δ+ и δ−. Чем больше разность электроотрицательностей, тем полярнее связь: HF > HCl > HBr > HI.
Кратность связи: H–H (одна пара), O=O (две), N≡N (три); с ростом кратности связь укорачивается и упрочняется
Основные свойства ковалентной связи: насыщаемость (атом образует ограниченное число связей, это определяет валентность) и направленность (связи располагаются в пространстве под определёнными углами, поэтому молекулы имеют определённую форму).
Донорно-акцепторный механизм: один атом (донор) предоставляет готовую неподелённую электронную пару, другой (акцептор) — свободную орбиталь: NH₃ + H⁺ → NH₄⁺. После образования иона аммония все четыре связи N–H совершенно одинаковы по длине и энергии — различие только в механизме образования. Так же образуются ион гидроксония H₃O⁺ и комплексные соединения, в которых ион металла предоставляет свободные орбитали, а молекулы или ионы-лиганды — электронные пары.
§2. σ- и π-связи
Если орбитали перекрываются вдоль оси, соединяющей ядра, образуется σ-связь, если сбоку, вне оси — π-связь. σ-связь прочнее; π-связь слабее и в реакциях рвётся первой (на этом основаны реакции присоединения алкенов и алкинов).
В любой связи одна σ; двойная связь = σ + π; тройная = σ + 2π
В молекуле N₂ 1 σ- и 2 π-связи, в CO₂ (O=C=O) — 2 σ- и 2 π-связи.
Пример
Сколько σ- и π-связей в молекуле пропена CH₂=CH–CH₃?
- Связей C–H: 2 + 1 + 3 = 6, все σ.
- Связей C–C: одна одинарная (σ) и одна двойная (σ + π).
- Всего: σ — 6 + 1 + 1 = 8, π — 1.
§3. Ионная связь
Между типичным металлом и типичным неметаллом (разность электроотрицательностей больше примерно 1,7) электрон практически полностью переходит от металла к неметаллу, а образовавшиеся разноимённые ионы притягиваются электростатическими силами.
Na⁰ − e⁻ → Na⁺, Cl⁰ + e⁻ → Cl⁻ → Na⁺Cl⁻
Ионная связь ненасыщаема и ненаправленна: каждый ион окружает себя противоионами со всех сторон (в кристалле NaCl вокруг каждого Na⁺ 6 ионов Cl⁻). Ионные соединения: соли, щёлочи, оксиды и гидриды активных металлов. Они твёрдые, хрупкие, плавятся при высокой температуре, их расплавы и растворы проводят ток.
В одном веществе может быть несколько видов связи: в NaOH — ионная между Na⁺ и OH⁻ и ковалентная полярная O–H; в NH₄Cl — ионная, ковалентная полярная и донорно-акцепторная; в Na₂SO₄ — ионная и ковалентная полярная.
Пример
Электроотрицательности: Na 0,9; H 2,1; Cl 3,0. Определите тип связи в NaCl, HCl и Cl₂.
- NaCl: разность 3,0 − 0,9 = 2,1 — больше 1,7, связь ионная.
- HCl: разность 3,0 − 2,1 = 0,9 — больше нуля, но меньше 1,7, связь ковалентная полярная.
- Cl₂: разность 0 — ковалентная неполярная.
Эта граница (1,7) условна: степень ионности связи растёт постепенно с ростом разности, резкой границы между чисто ионной и чисто ковалентной связью нет. Поэтому ионную связь можно считать предельным случаем полярной ковалентной.
§4. Металлическая и водородная связь
- Металлическая связь — связь между катион-атомами металла и свободно движущимися между ними обобществлёнными электронами («электронный газ»). Поэтому металлы хорошо проводят электричество и теплоту, ковки, пластичны и блестят.
- Водородная связь — слабое притяжение между атомом водорода, связанным с сильно электроотрицательным атомом (F, O, N), и электроотрицательным атомом другой (или той же) молекулы; она примерно в 10–20 раз слабее ковалентной. Поэтому вода (100 °C) кипит намного выше H₂S (около −60 °C), HF кипит выше HCl, спирты и карбоновые кислоты хорошо растворимы в воде, а лёд легче воды. Вторичная структура белков и двойная спираль ДНК тоже удерживаются водородными связями.
§5. Кристаллические решётки
Ионная (NaCl), атомная (алмаз, SiO₂), молекулярная (лёд, иод, CO₂ — сухой лёд), металлическая (Fe, Cu)
Тип решётки определяется частицами в узлах и взаимодействием между ними. Вещества с атомной решёткой самые твёрдые и тугоплавкие (алмаз — самое твёрдое природное вещество), так как узлы связаны прочными ковалентными связями. Вещества с молекулярной решёткой легкоплавки и летучи, потому что молекулы удерживаются слабыми межмолекулярными силами (иод возгоняется). Вещества с ионной решёткой твёрдые, хрупкие и тугоплавкие; с металлической — пластичные и электропроводные.
§6. Гибридизация и форма молекул
При образовании связей разные (s, p) орбитали атома смешиваются и образуют одинаковые по форме и энергии гибридные орбитали.
sp — линейная, 180° (BeCl₂, CO₂, C₂H₂); sp² — плоский треугольник, 120° (BF₃, C₂H₄); sp³ — тетраэдр, 109,5° (CH₄)
NH₃ (107°) и H₂O (104,5°) тоже sp³-гибридизованы, но неподелённые электронные пары отталкивают связывающие пары и уменьшают угол: аммиак — тригональная пирамида, вода — угловая молекула. Полярность молекулы зависит и от полярности связей, и от её формы. Полярные вещества хорошо растворяются в полярных растворителях (воде), неполярные — в неполярных.
Пример
В CO₂ связи полярные, но молекула неполярна. Почему?
- Молекула O=C=O линейная (sp, 180°).
- Диполи двух полярных связей равны и направлены противоположно, они компенсируют друг друга.
- Итог: молекула неполярна. H₂O же угловая, диполи не компенсируются — молекула полярна.
Проверьте себя
- В каком веществе ионная связь: HCl, KCl, Cl₂, CCl₄?
- Сколько σ- и π-связей в молекуле C₂H₂?
- У какого вещества атомная кристаллическая решётка: твёрдый CO₂, SiO₂, NaCl, I₂?
- Сколько связей в ионе NH₄⁺ образовано по донорно-акцепторному механизму?
- Почему температура кипения HF выше, чем у HCl?
- Какова форма молекулы BF₃?
- Какая связь самая полярная: H–F, H–Cl, H–Br, H–I?
- В каком гибридном состоянии углерод в молекуле метана?
Типичные ошибки
- Считать ионной любую связь между неметаллами: HCl — ковалентная полярная.
- Думать, что при наличии полярных связей молекула обязательно полярна: CO₂, CH₄ неполярны.
- Путать водородную связь с ковалентной связью O–H внутри молекулы.
- Писать, что донорно-акцепторная связь в NH₄⁺ отличается от остальных.
- Считать, что двойная связь состоит из двух σ-связей: она состоит из σ и π.
Итог: 0 / 8 верно (решено: 0)