"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Особые типы химической связи помогают объяснить свойства веществ, которые нельзя описать только обычным обменом электронов между двумя атомами. К ним относят водородную связь, металлическую связь и связь, возникающую по донорно-акцепторному механизму. В каждом случае взаимодействие устроено по-своему: его могут создавать частично заряженные атомы, общие для многих частиц электроны или неподелённая электронная пара одного атома. Понимание этих механизмов позволяет объяснять строение веществ, их прочность, температуры кипения и другие свойства.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Водородная связь — притяжение атома водорода, уже связанного с сильно электроотрицательным атомом, к другому электроотрицательному атому с неподелённой электронной парой. Обычно в таких взаимодействиях участвуют F, O или N; водородную связь условно обозначают пунктиром: O—H···O. Такое обозначение помогает отличить её от обычной ковалентной связи внутри молекулы и показать, какие частицы притягиваются.
Металлическая связь — взаимодействие положительных ионов металла с общими подвижными электронами в кристалле. Эти электроны не принадлежат одной конкретной паре атомов и могут перемещаться по всему кристаллу. Понятие нужно, чтобы объяснить характерные свойства металлов: электропроводность, теплопроводность и способность менять форму без разрушения кристалла.
Донорно-акцепторный механизм — способ образования ковалентной связи, при котором оба электрона общей пары предоставляет один атом. Он называется донором, а атом, принимающий эту пару на свободную орбиталь, — акцептором. Обозначение стрелкой от донора к акцептору показывает происхождение пары при образовании связи, но сама связь после этого является ковалентной.
Водородная связь возможна, когда атом H связан с электроотрицательным элементом, например кислородом. Электронная плотность в такой связи смещена к электроотрицательному атому, поэтому на H возникает частичный положительный заряд. Этот водород притягивается к неподелённой электронной паре другого атома F, O или N. Притяжение слабее обычной ковалентной связи, но достаточно заметно влияет на взаимодействия между молекулами.
Если водородная связь образуется между разными молекулами, её называют межмолекулярной; если между участками одной молекулы — внутримолекулярной. Например, между молекулами воды возникает множество межмолекулярных связей, и на их разрыв требуется энергия. Поэтому вода кипит при более высокой температуре, чем можно было бы ожидать, сравнивая её с похожими по составу небольшими молекулами. Связи между молекулами также влияют на растворимость и агрегатное состояние веществ.
В металле атомы располагаются близко друг к другу, и их внешние электроны могут свободно перемещаться между многими частицами. В результате образуются положительно заряженные ионы и общее электронное облако, которое притягивает их и удерживает кристалл. Подвижность электронов позволяет металлу проводить электрический ток и передавать тепло. Когда слои ионов смещаются, общее электронное облако продолжает удерживать их вместе, поэтому металл может деформироваться, не рассыпаясь.
Донорно-акцепторная связь возникает, если у частицы-донора есть неподелённая пара электронов, а у частицы-акцептора — свободная орбиталь. Донор предоставляет оба электрона для образования общей пары; акцептор принимает её. Например, молекула NH₃ может передать пару электронов иону H⁺, у которого нет электронов, образуя NH₄⁺. Условную стрелку рисуют от N к H, но после образования связи все четыре связи N—H в ионе рассматривают как ковалентные.
В таблице сопоставлены участники и причина возникновения трёх типов взаимодействия. Чтобы определить подходящий вариант, сначала найдите частицы, между которыми действует притяжение, а затем проверьте, как в нём участвуют электроны.
Не путайте сам способ образования связи с её свойствами после образования: донорно-акцепторная связь остаётся ковалентной. Водородная связь, напротив, обычно рассматривается как дополнительное притяжение между атомами или молекулами.
| Тип связи | Между чем возникает | Причина и признак |
|---|---|---|
| Водородная | Между H при F, O или N и другим электроотрицательным атомом | Притяжение частичных зарядов и неподелённой пары; часто обозначают пунктиром |
| Металлическая | Между ионами металла и общими электронами в кристалле | Электроны подвижны и делокализованы по всему кристаллу |
| Донорно-акцепторная | Между донором электронной пары и акцептором со свободной орбиталью | Оба электрона связи сначала предоставляет донор |
Задача. Объясните, какие связи возникают при образовании иона NH₄⁺ из NH₃ и H⁺, и укажите, почему все связи N—H в готовом ионе считают ковалентными. Нужно отличить исходный способ предоставления электронов от строения получившейся частицы.
Сначала рассмотрим NH₃. У атома азота есть неподелённая электронная пара, которая не участвует в трёх связях N—H. Эта пара может быть предоставлена другой частице.
Теперь рассмотрим H⁺. У протона нет электронов, зато есть свободная орбиталь, куда может быть принята электронная пара. Значит, H⁺ в этой реакции выступает акцептором, а азот — донором.
При соединении частиц пара азота становится общей для атомов N и H. Поэтому связь образуется по донорно-акцепторному механизму; в схемах её происхождение можно показать стрелкой N→H.
После образования NH₄⁺ четыре связи N—H входят в единую структуру иона. Отличие касается того, откуда взялись электроны пары при возникновении одной из связей, а не типа связи в готовом ионе.
Ответ: азот в NH₃ — донор, H⁺ — акцептор; связь образуется по донорно-акцепторному механизму. В NH₄⁺ все связи N—H являются ковалентными, поскольку каждая представляет собой общую электронную пару между атомами.
Считать водородной связью любую связь, в которой есть водород. Так ошибаются, потому что ориентируются на формулу, а не на взаимодействие частиц. Проверьте, связан ли H с F, O или N и притягивается ли он к неподелённой паре другого атома.
Называть донорно-акцепторную связь отдельным видом связи в готовом соединении. Путаница возникает из-за необычного способа предоставления электронной пары. Для проверки спросите, что получилось после образования связи: общая пара между атомами означает ковалентную связь.
Представлять металлическую связь как обычную ковалентную связь между соседними атомами. Такая модель не объясняет подвижность электронов и электропроводность металлов. Проверьте, нужно ли описать свойства всего кристалла: в металлической модели электроны общие и не закреплены за одной парой атомов.
Особые типы связи опираются на знания об электроотрицательности, строении атома и распределении электронов по орбиталям. Неподелённые электронные пары и свободные орбитали помогают объяснить донорно-акцепторный механизм, а смещение электронной плотности — появление частичных зарядов при образовании водородной связи. Знание видов связи позволяет перейти от строения частиц к свойствам веществ: например, объяснить электропроводность металлов и особенности воды. Так связываются темы химической связи, строения вещества и физических свойств.
Водородная связь возникает при участии H, связанного с F, O или N, и неподелённой пары другого электроотрицательного атома.
Металлическая связь удерживает кристалл благодаря притяжению положительных ионов и общих подвижных электронов.
При донорно-акцепторном механизме донор предоставляет электронную пару, а акцептор принимает её на свободную орбиталь.
Донорно-акцепторная связь после образования является ковалентной; стрелка показывает только происхождение общей пары.
Тема 5. Особые типы связи
