Концепцията за химическа връзка е от немалко значение в различни области на химията като наука. Това се дължи на факта, че именно с негова помощ отделните атоми могат да се комбинират в молекули, образувайки всякакви вещества, които от своя страна са обект на химични изследвания.
Разнообразието от атоми и молекули е свързано с появата на различни видове връзки между тях. Различните класове молекули се характеризират със собствените си характеристики на разпределението на електроните, а оттам и със собствените си видове връзки.
Основни понятия
Химическата връзка е набор от взаимодействия, които водят до свързването на атоми за образуване на стабилни частици с по-сложна структура (молекули, йони, радикали), както и агрегати (кристали, стъкла и др.). Природата на тези взаимодействия е електрическа по природа и възникват по време на разпределението на валентните електрони в приближаващите се атоми.
Валентност обикновено се нарича способността на атома да образува определен брой връзки с други атоми. В йонните съединения броят на дадените или прикачените електрони се приема като стойност на валентността. ATв ковалентни съединения, той е равен на броя на общите електронни двойки.
Състоянието на окисление се разбира като условен заряд, който би могъл да бъде върху атом, ако всички полярни ковалентни връзки са йонни.
Множеството на връзката е броят на споделените електронни двойки между разглежданите атоми.
Връзките, разглеждани в различните клонове на химията, могат да бъдат разделени на два вида химични връзки: тези, които водят до образуването на нови вещества (вътремолекулни), и тези, които възникват между молекулите (междумолекулни).
Основни комуникационни характеристики
Енергията на свързване е енергията, необходима за прекъсване на всички съществуващи връзки в една молекула. Това е и енергията, освободена по време на образуването на връзката.
Дължината на връзката е разстоянието между съседни атомни ядра в молекула, при което силите на привличане и отблъскване са балансирани.
Тези две характеристики на химическата връзка на атомите са мярка за нейната сила: колкото по-къса е дължината и по-голяма е енергията, толкова по-силна е връзката.
Свързващият ъгъл обикновено се нарича ъгълът между представените линии, минаващи в посоката на свързване през ядрата на атомите.
Методи за описание на връзки
Най-често срещаните два подхода за обяснение на химическата връзка, заимствани от квантовата механика:
Метод на молекулярните орбитали. Той разглежда молекулата като набор от електрони и ядра от атоми, като всеки отделен електрон се движи в полето на действие на всички други електрони и ядра. Молекулата има орбитална структура и всичките й електрони са разпределени по тези орбити. Също така, този метод се нарича MO LCAO, което означава "молекулярна орбитала - линейна комбинация от атомни орбитали".
Метод на валентните връзки. Представлява молекула като система от две централни молекулярни орбитали. Освен това всеки от тях съответства на една връзка между два съседни атома в молекулата. Методът се основава на следните разпоредби:
- Образуването на химическа връзка се осъществява от двойка електрони с противоположни спинове, които са разположени между двата разглеждани атома. Образуваната електронна двойка принадлежи на два атома еднакво.
- Броят на връзките, образувани от един или друг атом, е равен на броя на несдвоените електрони в основното и възбудено състояние.
- Ако електронните двойки не участват в образуването на връзка, тогава те се наричат самотни двойки.
Електроотрицателност
Възможно е да се определи вида на химичната връзка в веществата въз основа на разликата в стойностите на електроотрицателността на съставните му атоми. Електронегативността се разбира като способността на атомите да привличат общи електронни двойки (електронен облак), което води до поляризация на връзката.
Има различни начини за определяне на стойностите на електроотрицателността на химичните елементи. Въпреки това, най-често използваната е скалата, базирана на термодинамични данни, която е предложена през 1932 г. от L. Pauling.
Колкото по-голяма е разликата в електроотрицателността на атомите, толкова по-изразена е нейната йонност. Напротив, равни или близки стойности на електроотрицателност показват ковалентната природа на връзката. С други думи, възможно е да се определи математически коя химическа връзка се наблюдава в определена молекула. За да направите това, трябва да изчислите ΔX - разликата в електроотрицателността на атомите по формулата: ΔX=|X 1 -X 2 |.
- Ако ΔХ>1, 7, тогава връзката е йонна.
- Ако 0,5≦ΔХ≦1,7, тогава ковалентната връзка е полярна.
- Ако ΔХ=0 или близо до него, тогава връзката е ковалентна неполярна.
Йонна връзка
Йонната е такава връзка, която се появява между йони или поради пълното изтегляне на обща електронна двойка от един от атомите. В веществата този вид химическо свързване се осъществява от силите на електростатично привличане.
Йоните са заредени частици, образувани от атоми в резултат на придобиване или загуба на електрони. Когато един атом приема електрони, той придобива отрицателен заряд и се превръща в анион. Ако един атом отдаде валентни електрони, той се превръща в положително заредена частица, наречена катион.
Той е характерен за съединенията, образувани от взаимодействието на атоми на типични метали с атоми на типични неметали. Основното в този процес е стремежът на атомите да придобият стабилни електронни конфигурации. И за това типичните метали и неметали трябва да дадат или приемат само 1-2 електрона,което правят с лекота.
Механизмът на образуване на йонна химична връзка в молекула традиционно се разглежда на примера на взаимодействието на натрий и хлор. Атомите на алкални метали лесно даряват електрон, изтеглен от халогенен атом. Резултатът е Na+ катион и Cl- анион, които се държат заедно чрез електростатично привличане.
Няма идеална йонна връзка. Дори в такива съединения, които често се наричат йонни, окончателното прехвърляне на електрони от атом към атом не се случва. Образуваната електронна двойка все още остава в обща употреба. Следователно те говорят за степента на йонност на ковалентна връзка.
Йонното свързване се характеризира с две основни свойства, свързани едно с друго:
- ненасочено, т.е. електрическото поле около йона има формата на сфера;
- Ненаситеността, т.е. броят на противоположно заредените йони, които могат да бъдат поставени около всеки йон, се определя от техния размер.
Ковалентна химическа връзка
Връзката, образувана при припокриване на електронните облаци от неметални атоми, тоест осъществявана от обща електронна двойка, се нарича ковалентна връзка. Броят на споделените двойки електрони определя кратността на връзката. По този начин водородните атоми са свързани с единична H··H връзка, а кислородните атоми образуват двойна връзка O::O.
Има два механизма за неговото формиране:
- Обмен - всеки атом представлява един електрон за образуването на обща двойка: A +B=A: B, докато връзката включва външни атомни орбитали, на които е разположен един електрон.
- Донор-акцептор - за образуване на връзка, един от атомите (донор) осигурява двойка електрони, а вторият (акцептор) - свободна орбитала за нейното разположение: A +:B=A:B.
Начините, по които електронните облаци се припокриват, когато се образува ковалентна химическа връзка, също са различни.
- Директно. Областта на припокриване на облака лежи върху права въображаема линия, свързваща ядрата на разглежданите атоми. В този случай се образуват σ-връзки. Видът на химичната връзка, която възниква в този случай, зависи от вида на електронните облаци, подложени на припокриване: s-s, s-p, p-p, s-d или p-d σ-връзки. В частица (молекула или йон) може да възникне само една σ-връзка между два съседни атома.
- Страна. Извършва се от двете страни на линията, свързваща ядрата на атомите. Така се образува π-връзка, като са възможни и нейни разновидности: p-p, p-d, d-d. Отделно от σ-връзката, π-връзката никога не се образува; тя може да бъде в молекули, съдържащи множество (двойни и тройни) връзки.
Свойства на ковалентна облигация
Определят химичните и физичните характеристики на съединенията. Основните свойства на всяка химическа връзка в веществата са нейната насоченост, полярност и поляризуемост, както и насищане.
Насочеността на връзката определя характеристиките на молекулатаструктурата на веществата и геометричната форма на техните молекули. Същността му се крие във факта, че най-доброто припокриване на електронните облаци е възможно с определена ориентация в пространството. Вариантите за образуване на σ- и π-връзки вече бяха разгледани по-горе.
Насищането се разбира като способността на атомите да образуват определен брой химични връзки в една молекула. Броят на ковалентните връзки за всеки атом е ограничен от броя на външните орбитали.
Полярността на връзката зависи от разликата в стойностите на електроотрицателността на атомите. Той определя равномерността на разпределението на електроните между ядрата на атомите. Ковалентната връзка на тази основа може да бъде полярна или неполярна.
- Ако общата електронна двойка принадлежи еднакво на всеки от атомите и се намира на същото разстояние от техните ядра, тогава ковалентната връзка е неполярна.
- Ако общата двойка електрони се измести към ядрото на един от атомите, тогава се образува ковалентна полярна химическа връзка.
Поляризацията се изразява чрез изместване на електроните на връзката под действието на външно електрическо поле, което може да принадлежи на друга частица, съседни връзки в същата молекула или да идва от външни източници на електромагнитни полета. И така, ковалентна връзка под тяхно влияние може да промени своя полярност.
Под хибридизация на орбиталите разбирайте промяната в техните форми при осъществяването на химическа връзка. Това е необходимо, за да се постигне най-ефективно припокриване. Има следните видове хибридизация:
- sp3. Една s- и три p-орбитали образуват четири"хибридни" орбитали със същата форма. Външно прилича на тетраедър с ъгъл между осите от 109 °.
- sp2. Една s- и две p-орбитали образуват плосък триъгълник с ъгъл между осите 120°.
- sp. Една s- и една p-орбитала образуват две "хибридни" орбитали с ъгъл между осите им от 180°.
Метална облигация
Характеристика на структурата на металните атоми е доста голям радиус и наличието на малък брой електрони във външните орбитали. В резултат на това в такива химични елементи връзката между ядрото и валентните електрони е относително слаба и лесно се разрушава.
Метална връзка е такова взаимодействие между метални атоми-йони, което се осъществява с помощта на делокализирани електрони.
В металните частици валентните електрони могат лесно да напуснат външните орбитали, както и да заемат свободни места върху тях. Така в различно време една и съща частица може да бъде атом и йон. Откъснатите от тях електрони се движат свободно в целия обем на кристалната решетка и осъществяват химическа връзка.
Този тип връзка има прилики с йонната и ковалентната. Както и за йонните, йони са необходими за съществуването на метална връзка. Но ако за осъществяване на електростатично взаимодействие в първия случай са необходими катиони и аниони, то във втория ролята на отрицателно заредените частици се играе от електроните. Ако сравним метална връзка с ковалентна връзка, тогава образуването на двете изисква общи електрони. Въпреки това, вза разлика от полярната химическа връзка, те не са локализирани между два атома, а принадлежат към всички метални частици в кристалната решетка.
Металните облигации са отговорни за специалните свойства на почти всички метали:
- пластичност, налична поради възможността за изместване на слоеве от атоми в кристалната решетка, задържана от електронен газ;
- метален блясък, който се наблюдава поради отразяването на светлинните лъчи от електрони (в прахообразно състояние няма кристална решетка и следователно електрони се движат по нея);
- електрическа проводимост, която се осъществява от поток от заредени частици и в този случай малките електрони се движат свободно между големи метални йони;
- топлопроводимост, наблюдавана поради способността на електроните да пренасят топлина.
Водородна връзка
Този тип химическа връзка понякога се нарича междинно между ковалентното и междумолекулното взаимодействие. Ако водороден атом има връзка с един от силно електроотрицателните елементи (като фосфор, кислород, хлор, азот), тогава той е в състояние да образува допълнителна връзка, наречена водород.
Той е много по-слаб от всички видове връзки, разгледани по-горе (енергията е не повече от 40 kJ/mol), но не може да бъде пренебрегната. Ето защо водородната химическа връзка на диаграмата изглежда като пунктирана линия.
Появата на водородна връзка е възможна поради едновременното електростатично взаимодействие донор-акцептор. Голяма разлика в стойноститеелектроотрицателността води до появата на излишна електронна плътност върху атомите O, N, F и други, както и до липсата й върху водородния атом. В случай, че няма съществуваща химическа връзка между такива атоми, привличащите сили се активират, ако са достатъчно близки. В този случай протонът е акцептор на електронна двойка, а вторият атом е донор.
Водородната връзка може да се появи както между съседни молекули, например вода, карбоксилни киселини, алкохоли, амоняк, така и в рамките на една молекула, например, салицилова киселина.
Наличието на водородна връзка между водните молекули обяснява редица уникални физични свойства:
- Стойностите на неговия топлинен капацитет, диелектрична константа, точки на кипене и топене, в съответствие с изчисленията, трябва да бъдат много по-ниски от реалните, което се обяснява със свързването на молекулите и необходимостта от разход енергия за разрушаване на междумолекулните водородни връзки.
- За разлика от други вещества, когато температурата спадне, обемът на водата се увеличава. Това се дължи на факта, че молекулите заемат определена позиция в кристалната структура на леда и се отдалечават една от друга с дължината на водородната връзка.
Тази връзка играе специална роля за живите организми, тъй като присъствието й в протеиновите молекули определя тяхната специална структура, а оттам и техните свойства. В допълнение, нуклеиновите киселини, изграждащи двойната спирала на ДНК, също са свързани точно чрез водородни връзки.
Комуникации в кристали
По-голямата част от твърдите тела имат кристална решетка - специалнавзаимното подреждане на частиците, които ги образуват. В този случай се наблюдава триизмерна периодичност, а атоми, молекули или йони са разположени във възлите, които са свързани с въображаеми линии. В зависимост от естеството на тези частици и връзките между тях, всички кристални структури се делят на атомни, молекулярни, йонни и метални.
В възлите на йонната кристална решетка има катиони и аниони. Освен това всеки от тях е заобиколен от строго определен брой йони само с противоположен заряд. Типичен пример е натриевият хлорид (NaCl). Те са склонни да имат високи точки на топене и твърдост, тъй като изискват много енергия, за да се счупят.
Молекулите на веществата, образувани от ковалентна връзка, са разположени във възлите на молекулярната кристална решетка (например I2). Те са свързани помежду си чрез слабо взаимодействие на Ван дер Ваалс и следователно такава структура е лесна за унищожаване. Такива съединения имат ниски точки на кипене и топене.
Атомната кристална решетка се формира от атоми на химични елементи с високи стойности на валентност. Те са свързани чрез силни ковалентни връзки, което означава, че веществата имат високи точки на кипене, точки на топене и висока твърдост. Пример е диамант.
По този начин всички видове връзки, открити в химикалите, имат свои собствени характеристики, които обясняват тънкостите на взаимодействието на частиците в молекулите и веществата. Свойствата на съединенията зависят от тях. Те определят всички процеси, протичащи в околната среда.
