Химическая связь представляет собой результат взаимодействия атомов, приводящий к образованию устойчивых молекул и кристаллических структур. Сущность связи определяется перераспределением электронов внешнего уровня и возникновением сил притяжения между ядрами и электронами. При этом система достигает более низкого энергетического состояния, что обеспечивает её устойчивость.
Энергетическая выгода образования связи объясняется законом сохранения энергии: при сближении атомов потенциальная энергия системы уменьшается, поскольку электронные облака начинают перекрываться, а положительно заряженные ядра притягивают отрицательные электроны соседних атомов.
Ковалентная связь. Возникает при совместном использовании общих электронных пар двумя атомами. Перекрывание атомных орбиталей обеспечивает образование общей области повышенной электронной плотности. Различают:
Ионная связь. Формируется в результате полной передачи электронов от одного атома к другому, что приводит к образованию противоположно заряженных ионов. Электростатическое притяжение катионов и анионов удерживает кристаллическую решётку. Примером служат соединения NaCl, CaF₂. Ионная связь преобладает в веществах с большой разницей электроотрицательностей элементов.
Металлическая связь. Характеризует структуру металлов и их сплавов. В кристаллической решётке атомы отдают свои валентные электроны в «электронный газ», который свободно перемещается между узлами. Коллективизация электронов обеспечивает теплопроводность, электропроводность и пластичность металлов.
Водородная связь. Особый вид межмолекулярного взаимодействия, возникающий между атомом водорода, связанным с электроотрицательным атомом (O, N, F), и другой электронной парой соседней молекулы. Водородные связи играют важную роль в структуре воды, белков и нуклеиновых кислот.
Для количественного описания прочности связи используют величину энергии связи, равную энергии, необходимой для разрыва связи в молекуле в газовой фазе. Чем выше энергия связи, тем более прочна молекула.
Длина связи определяется расстоянием между ядрами атомов, связанных друг с другом. Она зависит от размеров атомов и порядка связи. Увеличение порядка связи (одинарная, двойная, тройная) сопровождается уменьшением длины и ростом прочности.
Координационное число в ионных кристаллах и комплексных соединениях отражает количество ближайших соседей, связанных с данным атомом.
Теория валентных связей (ТВС). Основывается на предположении, что связь возникает в результате перекрывания атомных орбиталей с образованием общей электронной пары. ТВС объясняет направленность связей и пространственную структуру молекул, включая явление гибридизации орбиталей.
Молекулярно-орбитальная теория (МОТ). Рассматривает электроны как принадлежащие всей молекуле в целом. При наложении атомных орбиталей образуются молекулярные орбитали, которые могут быть связывающими и разрыхляющими. Теория позволяет предсказывать магнитные свойства и спектры молекул, что выходит за рамки ТВС.
Полярность связи определяется разностью электроотрицательностей атомов. Чем больше разница, тем сильнее смещение электронной плотности. Полярные молекулы проявляют дипольный момент, который играет важную роль в растворимости, реакционной способности и межмолекулярных взаимодействиях.
Индуктивный эффект заключается в смещении электронной плотности по σ-связям под влиянием электроотрицательных заместителей. Он оказывает влияние на кислотность, основность и реакционную способность органических соединений.
Кроме собственно химических связей, между молекулами действуют слабые силы:
Эти взаимодействия определяют физические свойства веществ: температуры плавления и кипения, растворимость, вязкость.
Понимание природы химической связи лежит в основе объяснения свойств веществ, механизмов химических реакций, структуры кристаллов и биологических макромолекул. Теоретические модели связи позволяют предсказывать новые соединения и проектировать материалы с заданными характеристиками.