Ковалентная связь формируется за счёт совместного
использования атомами одной или нескольких пар электронов, что
обеспечивает энергетическую устойчивость молекулы. Основные
характеристики ковалентной связи:
- Энергия связи варьируется от 150 до 1000 кДж/моль в
зависимости от атомов и числа общих электронных пар.
- Длина связи определяется радиусами
взаимодействующих атомов и количеством общих электронных пар: однаковая
связь длиннее тройной.
- Полярность возникает при различии
электроотрицательностей атомов. Полярные ковалентные связи формируют
дипольный момент, что влияет на физические свойства вещества
(растворимость, температуру плавления, точку кипения).
Ковалентные связи делятся на простые, двойные и
тройные:
- Простая связь — одна пара электронов.
- Двойная — две пары электронов, более короткая и прочная, чем
простая.
- Тройная — три пары электронов, самая прочная и короткая.
Особое значение имеют координационные (донорно-акцепторные)
связи, при которых одна сторона предоставляет оба электрона для
совместного использования. Примеры включают комплексные соединения
металлов с лигандами.
Ионная связь
Ионная связь возникает в результате электростатического
притяжения между положительно и отрицательно заряженными
ионами. Характерные особенности:
- Высокая энергия решетки, что обеспечивает прочность
кристаллических структур.
- Обычно образуется между атомами с большой разницей
электроотрицательностей (>1,7 по шкале Полинга).
- Ионные соединения имеют высокие температуры плавления и
кипения и проводят электрический ток только в расплавленном
состоянии или растворе.
Кристаллическая решетка ионных соединений демонстрирует
регулярное упорядочение ионов, минимизирующее
потенциальную энергию. Примеры включают NaCl, MgO.
Металлическая связь
Металлическая связь характеризуется дельокализацией валентных
электронов, которые образуют так называемое «электронное
облако» вокруг положительных ионов металла. Это обеспечивает:
- Высокую электропроводность и
теплопроводность металлов.
- Пластичность и ковкость, обусловленные способностью ионов скользить
без разрушения связи.
- Блестящую поверхность за счёт взаимодействия электронного облака с
электромагнитным излучением.
Металлическая связь выражена у всех металлов, от одноатомных (Cu, Al)
до переходных с d-электронами, что увеличивает прочность и сложность
кристаллической решетки.
Водородная связь
Водородная связь — это частный вид взаимодействия,
возникающий между атомом водорода, связанным с
высокоэлектроотрицательным атомом (O, N, F), и соседним атомом с
неподелённой электронной парой. Особенности:
- Обеспечивает высокую температуру плавления и
кипения у соединений с водородной связью (например, H₂O,
HF).
- Определяет структуру биомолекул: вторичная
структура белков (α-спирали, β-слои), двойная спираль ДНК.
- Водородные связи слабее ковалентных и ионных, но могут быть
многочисленными, создавая значительную совокупную стабильность.
Ван-дер-Ваальсовы силы
Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия представляют собой слабые
физические силы, возникающие между нейтральными молекулами и
атомами:
- Диполь-дипольные — взаимодействие между полярными
молекулами.
- Индукционные (диполь-индуцированный диполь) —
полярная молекула индуцирует диполь в неполярной.
- Лондонские дисперсионные силы — возникают за счёт
временной несимметрии распределения электронов.
Эти силы определяют физические свойства неполярных
веществ, таких как благородные газы и органические соединения с
насыщенными углеродными цепями, и ответственны за агрегатное состояние
при низких температурах.
Координационные
связи в комплексных соединениях
Координационные связи формируются, когда атом или ион металла
принимает электронную пару от донора (лиганд). Их
особенности:
- Лиганды могут быть моно-, би- или полидентатными,
что влияет на стабильность комплексов.
- Координационные соединения играют ключевую роль в биохимии
(гемоглобин, хлорофилл) и промышленности (катализаторы).
- Структура комплексов определяется числом
координации и пространственной геометрией: тетраэдрическая,
октаэдрическая, квадратная плоская.
Влияние типа
химической связи на свойства вещества
- Механические свойства: ковалентные и ионные
кристаллы твёрдые и хрупкие; металлы пластичные.
- Физические свойства: температура плавления,
растворимость, электропроводность зависят от типа связи.
- Химическая активность: полярность молекул и наличие
свободных электронных пар определяют реакционную способность.
Химическая связь не только удерживает атомы вместе, но и определяет
структуру, стабильность и функциональные свойства
вещества, формируя основу всей химической науки.