"Химия (базовый уровень)", Минченков Е.Е., Журин А.А., Оржековский П.А.
Химическая связь удерживает атомы или ионы вместе и возникает, когда объединённое состояние энергетически выгоднее их отдельного существования. По способу взаимодействия частиц различают ковалентную, ионную и металлическую связи; отдельно рассматривают водородную. В ковалентной связи атомы используют общие электронные пары, а в ионной притягиваются противоположно заряженные ионы. Тип связи зависит от состава и строения вещества и помогает объяснить свойства материалов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Химическая связь — взаимодействие, удерживающее атомы или ионы вместе. Связанные частицы образуют более устойчивую систему, чем изолированные частицы в обычных условиях. Это понятие помогает объяснить, почему атомы объединяются в молекулы и кристаллы, а также как устроены вещества.
Ковалентная связь возникает благодаря общей электронной паре, принадлежащей двум атомам. Если электроны распределены между атомами примерно поровну, связь называют ковалентной неполярной. Если общая электронная пара смещена к одному из атомов, связь полярная; это различие помогает понять распределение зарядов в молекуле.
Ионная связь — электростатическое притяжение противоположно заряженных ионов. Обычно сначала один атом отдаёт электрон, а другой принимает его, и возникают положительный и отрицательный ионы. Определение разделяет два события: передачу электронов и притяжение уже образовавшихся частиц.
Металлическая связь — притяжение положительных ионов металла к общим подвижным электронам. Эти электроны не закреплены за одной парой атомов и могут перемещаться по всему кристаллу. Поэтому связь называют коллективной: она удерживает вместе множество частиц, а не только два конкретных атома.
Атомы образуют связи потому, что взаимодействие ядер и электронов может понизить энергию системы. При сближении частиц притяжение между ядрами и электронами усиливается, а электронные оболочки начинают взаимодействовать. На подходящем расстоянии система достигает более выгодного состояния, чем отдельные атомы; слишком близко подойти им мешает растущее отталкивание. Поэтому связь удерживает частицы на определённом расстоянии.
При ковалентной связи электронная пара располагается между ядрами двух атомов и притягивается к обоим. Это притяжение и удерживает атомы вместе. У одинаковых атомов притяжение общей пары одинаково, поэтому электронная плотность распределена симметрично и связь неполярна. Если один атом притягивает электроны сильнее, пара смещается к нему: связь становится полярной, а на атомах возникают частичные заряды.
Полярность удобно оценивать, сравнивая электроотрицательности — способности атомов притягивать общие электроны. Чем заметнее различие, тем сильнее смещена электронная плотность к более электроотрицательному атому. При достаточно большом различии электрон может перейти к нему почти полностью, и вместо общей пары возникают ионы. Границу между полярной ковалентной и ионной связью нельзя считать абсолютно резкой: многие связи имеют промежуточный характер.
В ионном кристалле положительные и отрицательные ионы чередуются так, чтобы притяжение преобладало над отталкиванием одноимённых зарядов. Передача электронов объясняет, откуда взялись ионы, но не описывает, что удерживает их в веществе. В металле картина иная: положительные ионы находятся среди общих подвижных электронов. Электроны притягиваются сразу к множеству ионов, поэтому металлическую связь нельзя свести к отдельным парам частиц.
Водородная связь возникает, когда атом водорода, уже связанный с электроотрицательным атомом, взаимодействует с другим электроотрицательным атомом. Электроны в исходной связи смещены от водорода, и он может притягиваться к соседнему участку с повышенной электронной плотностью. Такое взаимодействие слабее обычной ковалентной связи и часто соединяет разные молекулы. Его выделяют отдельно, потому что оно не образуется общей электронной парой между водородом и соседней частицей.
| Характеристика | Ковалентная неполярная | Ковалентная полярная | Ионная | Металлическая | Водородная |
|---|---|---|---|---|---|
| Между какими частицами возникает | Между одинаковыми или близкими по электроотрицательности атомами | Между атомами с разной электроотрицательностью | Между положительными и отрицательными ионами | Между положительными ионами металла и общими электронами | Между атомом водорода и электроотрицательным атомом |
| Как распределены электроны | Общая пара распределена примерно поровну | Общая пара смещена к одному атому | Электроны переданы; ионы имеют заряды | Электроны общие и подвижные | Электронная плотность перераспределена; общей пары между частицами нет |
| Что обеспечивает притяжение | Притяжение обоих ядер к общей паре | Притяжение ядер к смещённой общей паре | Притяжение противоположных зарядов | Притяжение ионов к подвижным электронам | Электростатическое взаимодействие участков молекул |
| Типичные примеры | H₂, Cl₂ | HCl, связи O–H в H₂O | NaCl | Cu, Fe | Между молекулами H₂O |
| Особенности строения вещества | Обычно отдельные молекулы | Полярные молекулы или сетчатые структуры | Ионная кристаллическая решётка | Металлическая кристаллическая решётка | Связывает молекулы или участки крупных молекул |
Чтобы определить тип связи, сначала выясните, какие частицы образуют вещество, а затем посмотрите, как распределены электроны и что именно притягивается. Для полярной ковалентной связи сравните электроотрицательности атомов. В таблице водородная связь приведена рядом с основными типами для сравнения, хотя её обычно рассматривают как отдельное межчастичное взаимодействие.
Определите тип связи между атомами в молекуле H₂ и объясните ответ. В молекуле соединены два одинаковых атома водорода, поэтому для решения достаточно сравнить их способность притягивать общие электроны. Нужно установить, есть ли смещение электронной пары к одному из атомов. Затем соотнесите результат с определением неполярной ковалентной связи.
Ответ: в H₂ ковалентная неполярная связь. Одинаковые атомы не создают смещения электронной плотности в одну сторону. Поэтому у связи нет полюсов, связанных с частичными зарядами.
Определите, полярна ли связь H–Cl, и укажите направление смещения общей электронной пары. Сравните электроотрицательности водорода и хлора: хлор притягивает общие электроны сильнее. Значит, пара смещена от водорода к хлору, но остаётся общей для двух атомов. Это соответствует полярной ковалентной связи, а не полной передаче электрона.
Ответ: связь H–Cl полярная ковалентная, общая пара смещена к Cl. Водород приобретает частичный положительный заряд, а хлор — частичный отрицательный. Это не равнозначно образованию полностью заряженных ионов.
Для NaCl, H₂O и Cu определите типы химической связи и обоснуйте классификацию. Важно рассматривать не только химические формулы, но и строение веществ: соль состоит из ионов, вода — из молекул, а медь — металлический кристалл. После определения частиц укажите, какое притяжение удерживает их вместе. Так можно не принять наличие металла в формуле за достаточное доказательство металлической связи.
Ответ: NaCl — вещество с ионной связью, H₂O — с полярными ковалентными связями O–H, Cu — с металлической связью. В воде между молекулами также могут возникать водородные связи, но это не тип связи O–H внутри отдельной молекулы. Различайте связь внутри молекулы и взаимодействие между частицами.
Ошибка: считать, что любая ковалентная связь неполярна. Так рассуждают, потому что в определении ковалентной связи говорится об общей электронной паре, но забывают, что атомы могут притягивать её с разной силой. Проверьте себя сравнением электроотрицательностей: если они различаются, электронная плотность смещена, и связь полярна. Общая пара сама по себе не означает равномерного распределения.
Ошибка: отождествлять ионную связь с передачей электронов. Передача объясняет появление ионов, а притяжение противоположных зарядов — то, что удерживает их вместе. Для самопроверки разделите описание на два шага: сначала образование Na⁺ и Cl⁻, затем их взаимодействие в кристалле. Если назван только первый шаг, объяснение связи неполно.
Ошибка: называть связь металлической в любом веществе, содержащем металл. Это происходит, когда тип связи определяют только по элементам в формуле, не учитывая строение. В NaCl есть металл натрий, но вещество образовано ионами, поэтому связь ионная. Проверьте, существуют ли общие подвижные электроны металлического кристалла или металл входит в состав заряженного иона.
Ошибка: считать водородную связь разновидностью обычной ковалентной связи. Причина путаницы — участие атома водорода и её связь с полярностью молекул. Но ковалентная связь удерживает атомы внутри молекулы общей электронной парой, а водородная обычно возникает между молекулами или их участками. Для проверки укажите, какие именно частицы взаимодействуют и есть ли между ними общая пара.
Чтобы разбираться в химических связях, нужно знать строение атома, устройство электронных оболочек и валентные электроны, участвующие в образовании связей. Представление об образовании ионов помогает понять ионную связь, а электроотрицательность — объяснить полярность ковалентной. Позже эти знания пригодятся при изучении строения молекул и объяснении свойств веществ. Тип связи также связан с устройством кристаллической решётки и свойствами твёрдых веществ.
Чем ковалентная полярная связь отличается от неполярной?
В неполярной связи общая электронная пара распределена между атомами примерно поровну. В полярной она смещена к более электроотрицательному атому, поэтому на атомах появляются частичные заряды.
Как по электроотрицательности определить полярность связи?
Сравните электроотрицательности связанных атомов — способность атома притягивать общие электроны. У одинаковых атомов различия нет, поэтому связь неполярна; при различии электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому.
Почему ионную связь нельзя свести только к передаче электронов?
Передача электронов приводит к образованию положительных и отрицательных ионов. Ионная связь — это уже электростатическое притяжение этих ионов в веществе, а не сам процесс передачи.
Как отличить металлическую связь от ионной?
В ионном веществе противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу. В металле положительные ионы окружены общими подвижными электронами, которые участвуют в притяжении сразу многих частиц.
Чем водородная связь отличается от ковалентной?
Ковалентная связь образуется общей электронной парой внутри молекулы. Водородная связь — отдельное взаимодействие с участием атома водорода, уже связанного с электроотрицательным атомом; часто оно возникает между молекулами.
§ 4. Виды химических связей
