Виды химических связей

Атомы в твёрдых телах удерживаются силами химических связей. При объединении атомов в молекулы происходит перестройка электронных оболочек взаимодействующих атомов, сопровождающаяся понижением энергии всей системы (молекула, кристалл) и образованием единого электронного облака. Тип химической связи во многом определяет свойства вещества.

В образовании химической связи участвуют валентные электроны, которые расположены на внешних энергетических уровнях и наименее прочно связаны с ядром. В результате образуются молекулы, ионы, свободные радикалы.

Молекула ― наименьшая электронейтральная частица вещества, обладающая его химическими свойствами и способная к самостоятельному существованию.

Ион ― заряженная частица, представляющая собой атом или группу химически соединённых атомов (анионы, катионы).

Свободные радикалы ― частицы, обладающие ненасыщенной (свободной) валентностью. Обладают высокой химической активностью и не существуют в виде стабильного вещества.

Вступая в соединение, атом стремится приобрести электронную конфигурацию атома ближайшего инертного газа (восьмиэлектронную, двухэлектронную), как отвечающую минимуму энергии и поэтому наиболее стабильную. Различают четыре вида химических связей в веществе.

Металлическая связь является самой прочной. Слабосвязанные валентные электроны в металлах легко покидают свои атомы и свободно перемещаются в пределах кристалла. Таким образом, происходит объединение валентных электронов всех атомов в кристалле. В узлах кристаллической решётки металла располагаются положительно заряженные катионы, а коллективизированные валентные электроны образуют отрицательно заряженный электронный газ. Ионы и электроны связаны электростатическими силами. Электронный газ определяет высокую электропроводность и теплопроводность, пластичность, прочность и другие характерные свойства металлических материалов. Стремление атомов металлов к сближению и уплотнению приводит к образованию более сложных типов решёток (рис.1.1).

Рис. 1.1 Кристаллические решётки металлов: а) кубическая объёмно-центрированная; б) кубическая гранецентрированная; в) гексагональная.

Ковалентная связь образуется в результате обобществления валентных электронов соседних атомов. При этом их электронные облака образуют единое облако, принадлежащее одновременно обоим атомами, и каждый атом имеет стабильную двух– или восьмиэлектронную конфигурацию внешней электронной оболочки. Вещества с типично ковалентной связью: Н₂, О₂, алмаз, Si, Ge и др. Энергия связи значительна. Вещества имеют высокую температуру плавления, прочность и твёрдость.

Ионная связь является результатом электростатического притяжения разноименно заряженных ионов. Типично ионная связь образуется между элементами I и VII групп (NaCl, CsF и т.д.). Атом элемента отдаёт валентный электрон и становится положительно заряженным ионом, а атом неметалла его принимает и становится отрицательно заряженным ионом; при этом их внешние электронные оболочки приобретают стабильную восьмиэлектронную конфигурацию. Энергия ионной связи сопоставима с ковалентной. Ионные соединения отличаются высокой температурой плавления, твёрдостью, прочностью. Все электроны локализованы на орбиталях отдельных атомов и не могут принимать участие в электропроводности, поэтому ионные кристаллы являются изоляторами.

Молекулярная связь Ван-дер-Ваальса ― наиболее слабая химическая связь, которая сводится к электростатическому взаимодействию между атомами, ионами и молекулами в веществе. Её энергия на два порядка ниже энергии, ионной и ковалентной связей. Она обусловлена взаимным влиянием полей электронов, движущихся вокруг ядер соседних атомов. При образовании связи Ван-дер-Ваальса не происходит ни обобществления, ни обмена электронами, имеет место лишь действие сил притяжения между молекулами или атомами, являющимися малыми диполями. Силы Ван-дер-Ваальса быстро уменьшаются с увеличением расстояния между атомами.