Строение вещества и химические связи

ХимияХимия

Строение вещества и химические связи

Химическая связь – совокупность электрических сил притяжения, удерживающих частицы друг около друга.

Химические связи реализуются в молекулах вещества, так как все молекулы состоят из атомов, а речь идёт о связях атомов в молекулах. Молекула – элементарная частица любого вещества.

В структурных формулах химическая связь представлена в виде чёрточки (валентной черты). Одна чёрточка обозначает одну хим. связь между атомами, две чёрточки – две хим. связи и т.д.

Точками обозначены электроны, которые не участвуют в образовании электронной пары с другим атомом.


Химическая связь образована парой электронов, которая в электронных формулах сложных молекул и ионов обычно заменяется валентной чертой.

Связь между двумя атомами неметаллов называется ковалентной. Существуют два типа связи.

Общая электронная пара между двумя атомами не всегда находится в равном владении двух атомов. В молекулах, образованных атомами одного вещества, например, водорода, оба атома имеют одинаковую электроотрицательность, следовательно, оба атома обладают электронной парой равноправно. Такая связь называется ковалентной неполярной.

Но есть вещества, где так же два атома связаны в молекулу, только атомы двух разных элементов. Например, молекула HCl образована атомом водорода и атомом хлора, значит, между двумя атомами образовалась электронная пара.
Атом хлора гораздо более электроотрицательный, чем атом водорода. Электронная плотность на атоме хлора гораздо больше. Такая связь называется ковалентной полярной.

Ковалентная полярная связь образуется при перекрывании электронных орбиталей.
Подробнее про электронную конфигурацию атомов:
Как многие читатели знают, номер периода указывает на число энергетических уровней. Энергетический уровни – пространства вокруг ядра атома, которые содержат электроны.  На каждом энергетическом уровне может располагаться строго фиксированное кол-во электронов.

Есть формула, по которой можно рассчитать кол-во электронов, которые могут находиться на том или ином уровне:

N=2n2

Где N – кол-во электронов, находящихся на уровне, n – номер уровня.
Таким образом, получаем, что на первом уровне могут находиться 2 электрона, на втором – 8, на третьем – 18 и т.д.

Существуют энергетические уровни, а у них в свою очередь есть подуровни. Подуровни состоят из атомных орбиталей (электронных облаков) – областей пространства, где ВЕРОЯТНО могут находиться электроны.
Существуют s,p,d,f-орбитали. s-орбитали имеют форму шара. P,d,f- орбитали имеют форму “восьмёрок”.

Как уже говорилось, связь образуется с помощью возникновения электронной пары. Теперь следует уточнить это понятие. То, что возникла электронная пара, вовсе не означает, что электроны будут перемещаться по орбитали вместе. Это выражение означает, что перекрылись орбитали, и электроны могут свободно находиться как в одной орбитали, так и в другой.


Орбиталей на энергетическом уровне тоже строго определённое количество.
На 1 уровне располагаются только s-орбитали
На 2 уровне к s-орбиталям добавляются ещё p-орбитали
На 3 уровне к ним добавляются ещё d-орбитали

s-орбиталь на любом уровне всегда одна
p-орбиталей на любом уровне всегда 3

d-орбиталей на любом уровне всегда 5

f-орбиталей на любом уровне всегда 7


Электроны характеризуются спином. В орбиталях электроны (спины) изображают стрелочками. В одной орбитали не могут существовать электроны с сонаправленными спинами.
Как же заполнять атомные орбитали электронами?
Первое условие заполнения:
Принцип минимума энергии.

Электроны заполняют орбитали, начиная с подуровня с меньшей энергией.

Нарастание энергии подуровней:

1s<2s<2p<3s<3p<4s≤3d<4s<5s≤4d<5p<6s


Второе условие заполнения:
Правило запрета (принцип Паули).

В каждой орбитали может разместиться не более двух электронов.
Один электрон на орбитали называется неспаренным, два электрона – электронной парой.

Так выглядит электронографическая формула атома серы:

S16 (16 – заряд ядра, указывающий на кол-во электронов) 1s22s22p63s23p4



Третье условие заполнения:
Правило Хунда.
В пределах подуровня электроны сначала заполняют орбитали наполовину (по электрону на орбиталь), а оставшиеся электроны заполняют орбиталь полностью.
Это значит, что если бы мы писали электронографическую формулу серы, то

при заполнении клеток, мы бы сначала поставили по стрелочке в каждую клетку, а оставшимися электронами заполнили бы оставшиеся клетки (орбитали) в порядке слева-направо.

Стоит обратить внимание, что при образовании химической связи всегда происходит смещение электронной плотности к более электроотрицательному атому, от чего изменяется форма орбиталей по сравнению с формой орбитали в свободном атоме(орбиталь расширяется в том месте, где произошло перекрывание, а в другом месте сужается).

В графическом изображении перекрывания орбиталей показывают перекрывание орбиталей неспаренных электронов.

Во всех описанных выше случаях речь шла о одинарной связи (сигма-связи), образующейся при линейном перекрывании атомных орбиталей, но также существуют двойные и тройные связи между атомами, а соответственно,
Эти связи образуются с помощью бокового перекрывания любых атомных орбиталей.

Кратные связи (их называют пи-связями) существуют вместе с сигма-связью между атомами. Стоит отметить, что пи-связи, в отличие от сигма-связей, гораздо более прочные и трудно разрушаются. Вещества, образованные пи- и сигма-связями одновременно, отличаются достаточной инертностью (например, азот).

Химическую связь можно охарактеризовать физически. Связь характеризуется энергией хим. связи и полярностью.

Энергия химической связи (Есв) – это энергия, выделяющаяся при образовании данной связи и затрачивается на её разрыв.

Полярность возникает в молекулах, образованных ковалентной полярной связью. Это происходит из-за смещения электронной плотности к одному из атомов. Молекулы с полярной хим. связью называются диполи. На атоме, к которому произошло смещение электронной плотности, образуется маленький отрицательный заряд, а на другом атоме – наоборот. Заряды полярных молекул всегда меньше по значению, чем степень окисления элементов, по знаку одинаковые. Это значит, что в молекуле H+1Cl-1заряд атома водорода будет со знаком +, а заряд хлора – со знаком -. В сумме заряды равны нулю, поэтому любую молекулу считают электрически-нейтральной.

Неполярные связи ещё в молекулах, структурные формулы которых представлены правильной геометрической формой. Это значит, что, если представить каждую связь в веществе как вектор, то геометрическая сумма этих векторов будет равна нулю.

Такую форму имеет метан (CH4) –правильная тетраэдрическая форма. У молекулы углекислого газа (CO2) – линейная форма связи.

Полярными связи будут у тех сложных веществ, у которых строение ассиметричное. То есть, в одной “части” молекулы вещества будет сосредоточен большой отрицательный заряд.

С ковалентной полярной связью так же прослеживается механизм образования ионной связи. Взяв обычную среднюю соль, например, иодид калия (KI), можно сказать, что пара электронов находится практически во владении у иодид-аниона. По природе калия – хороший восстановитель, легко окисляется. Иодид-ион – ион одной из самых сильных кислот (самой сильной бескислородной кислоты HI). Электронная плотность у иода будет гораздо выше, чем у калия, но нельзя называть ионную связь частным случаем образования ковалентной полярной связи.

Можно так сделать условно, представить ионную связь как предельный случай ковалентной полярной связи для более лёгкого восприятия материала, НО НЕ СВЯЗЫВАТЬ ДВА ЭТИХ ПОНЯТИЯ НА ЭКЗАМЕНАХ И ЗАЧЁТАХ.

Ионная связь характерна для соединений типичных металлов и неметаллов.

Существует так же металлическая связь. В такой связи электроны настолько непрочно удерживаются атомами, что практически не могут быть привязанными к какому-либо атому, поэтому принято считать, что в узлах кристаллической решётки металлов находятся положительно заряженные ионы металла.

Разберём несколько примеров.

Образование молекулы кислорода.
Электронно-графическая формула кислорода:

O181s22s22p4


Видим, что распарены два p электрона. Значит, в образовании молекул из двух атомов будут участвовать два электрона, следовательно, между атомами в молекуле будет двойная связь. Так это будет выглядеть графически:


Видно, что p орбиталь перекрылась в двух местах, следовательно, связь двойная.

Образование молекулы фтора.
Электронно-графическая формула фтора:

F9 1s22s22p5

Видим, что у атома фтора есть распаренный р электрон. В образовании связи будет участвовать этот электрон у обоих атомов.

Графическое изображение:


Автор статьи: Симкин Егор Андреевич

Редактор: Харламова Галина Николаевна

Вернутся к темам