Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Виды химической связи в веществах

Молекула представляет собой наименьшую часть вещества, являющуюся носителем его основных химических и физических свойств.

Электроны в молекулах, как и в атомах, располагаются, образуя молекулярные электронные оболочки. Химические и большинство физических свойств молекул определяются их внешними электронами. Причем внутренние электронные оболочки атомов практически не изменяются при объединении их в молекулу и не влияют на свойства молекул.

Частицами молекул могут быть атомы или ионы, которые взаимно связаны химическими связями. Наиболее важным в анализе связей между атомами является вопрос о силах связи, удерживающих вместе атомы.

Связь почти полностью обеспечивается силами электростатического взаимодействия между электронами и ядрами атомов. Роль сил магнитного происхождения весьма незначительна, а гравитационными силами из-за малых значений масс взаимодействующих частиц можно пренебречь. Существование стабильных связей между атомами вещества предполагает, что полная энергия частиц в объеме вещества (Е_кин+U_пот) меньше суммы полных энергий Е_пол этого же количества частиц в свободном состоянии, т.е. вне объема. Разность этих энергий (Е_св=Е_пол-(Е_кин+U_пот)) называется энергией химической связи или энергией образования молекулы. Если между соседними атомами возникают силы притяжения, то атомы соединяются с выделением энергии, образуя устойчивое химическое соединение.

Вполне естественно, что характером связи и количественным значением энергии связи определяются макроскопические свойства вещества или материала.

В современной литературе выделяются от двух до четырех видов связей. Однако если рассмотреть еще промежуточные типы связей, то их будет шесть:

· Ковалентная неполярная;

· Ковалентная полярная или гомеополярная;

· Ионная или гетерополярная;

· Донорно-акцепторная;

· Металлическая;

· Молекулярная;

Ковалентная неполярная связь возникает при объединении одноименных атомов в молекулы, например: H₂, O₂, Cl₂, N₂, алмаз, сера, Si, Ge и т.д. При этой связи у веществ объединение атомов в молекулу достигается за счет электронов, которые становятся общими для пар атомов. Плотность отрицательно заряженного электронного облака между положительно заряженными ядрами получается наибольшей. Следует отметить, что перекрытие электронных облаков, приводящие к обобществлению электронов, не сводится к простому наложению друг на друга двух электронных орбит, а сопровождается существенным перераспределением электронной плотности и изменением энергии системы. При обобществлении электронов происходит втягивание электронных облаков в пространство между ядрами. Появление состояния с повышенной плотностью электронного заряда в межъядерном пространстве и приводит к возникновению сил притяжения. Т.е. происходит деформация внешних электронных оболочек исходных атомов и их перекрытие по линии, соединяющей атомные ядра. На некотором расстоянии между ядрами возникающие силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания, т.е. образуется устойчивая система атомов (молекула), внутренняя энергия которой минимальна.

Молекулы с ковалентной неполярной связью имеют симметричное строение, т.е. центры положительного и отрицательного зарядов совпадают. В результате электрический момент молекулы равен нулю. Ковалентная неполярная связь характерна для диэлектриков и полупроводников.

Ковалентная полярная или гомеополярная связь (парноэлектронная) возникает при объединении разноименных атомов. При этом также происходит обобществление пар валентных электронов и дополнение внешней оболочки до устойчивого состояния. Однако каждая связь имеет дипольный момент, который определяется произведением заряда на расстояние между центрами положительных и отрицательных зарядов (p=q·l). Тем не менее, молекула в целом может быть нейтральной или полярной.

Молекулы, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, называются неполярными.

Соединения с гомеополярной связью могут быть диэлектриками (полимерные органические молекулы) и полупроводниками (ZnS, CdTe).

В целом ковалентная полярная связь характеризуется высокой прочностью. Подтверждением этому является высокая твердость и высокая температура плавления таких веществ, как алмаз, карбид кремния.

Ионная или гетерополярная связь возникает при образовании молекулы элементами, находящимися в конце VII группы и начале I группы таблицы Менделеева. При этом валентный электрон металла, слабо связанный с атомом, переходит к атому галоида, достраивая его орбиту до устойчивого состояния (8 электронов). В результате образуются два иона, между которыми действуют силы электростатического притяжения.

Ионные решетки характеризуется высоким координационным числом, показывающим количество ближайших ионов противоположного знака (рисунок 2.4).

В ионном кристалле комбинации противоположно заряженных ионов нельзя отождествлять с индивидуальными молекулами, вследствие регулярного чередования в узлах решетки ионов различного сорта. Правильнее считать весь монокристалл ионного соединения одной гигантской молекулой, в которой каждый ион испытывает сильное воздействие со стороны всех соседних частиц.

Рисунок 2.4 – Кристаллическая решетка

Ионные силы взаимодействия достаточно велики, поэтому вещества с ионной связью имеют сравнительно высокую механическую прочность, температуру плавления и испарения. Ионная связь характерна для диэлектриков.

Донорно-акцепторная связь по сути своей является разновидностью ионной связи и возникает при образовании материала элементами различных групп таблицы Менделеева, например соединения типа А^IIIВ^V (фосфиды, арсениды, антимониды). В таких соединениях атом одного элемента, называемый донором, отдает электрон другому атому, называемому акцептором. В результате возникает донорно-акцепторная химическая связь, являющаяся достаточно прочной. Материалы с такой связью могут быть диэлектриками и полупроводниками.

Металлическая связь возникает между атомами в металлах и является следствием обобществления всех валентных электронов, т.е. металлическую связь можно рассматривать до некоторой степени как ковалентную связь. Специфика металлической связи состоит в том, что в обобществлении электронов участвуют все атомы кристалла, и обобществленные электроны не локализуются вблизи своих атомов, а свободно перемещаются внутри всей решетки, образуя “электронный газ”. Металлы можно рассматривать как системы, построенные из расположенных в узлах решетки положительно заряженных ионов, находящихся в среде свободных электронов. Не имея локализованных связей, металлические кристаллы (в отличии от ионных) не разрушаются при изменении положений атомов, т.е. им свойственна пластичность (ковкость) при деформациях (перемещение и скольжение отдельных слоев). Наличием свободных электронов объясняется высокие электропроводность и теплопроводность металла, что также является причиной блеска металлов.

Молекулярная связь или связь Ван-дер-Ваальса наблюдается у веществ органического происхождения (парафин и др.).

Наличие межмолекулярного притяжения возможно при согласовании движения валентных электронов в соседних молекулах. В любой момент времени электроны должны быть максимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительным зарядам (ядрам). Тогда силы притяжения валентных электронов ядром соседней молекулы оказываются сильнее сил взаимного отталкивания электронов (внешних орбит) этих молекул (рисунок 2.5). Такая связь существует у ряда веществ между молекулами с ковалентным характером внутримолекулярного взаимодействия.

Рисунок 2.5 – Схема образования молекулярной связи

Молекулярная связь – слабая связь, легко разрушается тепловым движением. Материалы с такой связью имеют низкую температуру плавления и механические характеристики, свидетельствующие о непрочности молекулярной структуры вещества.