Ковалентная химическая связь обычно возникает между атомами неметаллов с одинаковой или не очень сильно различающейся электроотрицательностью. Если различие в электроотрицательности атомов, между которыми образуется химическая связь, велико (∆x превышает 1.7), то общая электронная пара практически полностью смещается к атому с большей электроотрицательностью. В результате этого образуются частицы, имеющие заряды – положительно и отрицательно заряженные ионы с устойчивой электронной конфигурацией атомов ближайшего благородного газа. Противоположно заряженные ионы прочно удерживаются силами электростатического притяжения – между ними возникает химическая связь, которая называется ионной.

Ионная связь, как правило, возникает между атомами типичных металлов и типичных неметаллов. Характерным свойством атомов металлов является то, что они легко отдают свои валентные электроны, тогда как атомы неметаллов способны легко их присоединять.

Рассмотрим возникновение ионной связи, например, между атомами натрия и атомами хлора в хлориде натрия NaCl.

Отрыв электрона от атома натрия приводит к образованию положительно заряженного иона – катиона натрия Na + .

Присоединение электрона к атому хлора приводит к образованию отрицательно заряженного иона – аниона хлора Cl — .

Между образовавшимися ионами Na + и Cl — , имеющими противоположный заряд, возникает электростатическое притяжение, в результате которого образуется соединение – хлорид натрия с ионным типом химической связи.

Ионная связь – это химическая связь, которая осуществляется за счет электростатического взаимодействия противоположно заряженных ионов.

Таким образом, процесс образования ионной связи сводится к переходу электронов от атомов натрия к атомам хлора с образованием противоположно заряженных ионов, имеющих завершенные электронные конфигурации внешних слоев.

Экспериментально установлено, что в действительности электроны не отрываются полностью от атома металла, а лишь смещаются в сторону атома хлора. Это смещение тем значительней, чем больше разность электроотрицательностей атомов, между которыми образуется ионная связь. Однако даже в случае фторида цезия CsF, в котором разность электроотрицательностей превышает 3.0, заряд атома цезия не равен 1+. Это означает, что электрон атома цезия не полностью переходит к атому фтора. В случае других соединений, для которых разность электроотрицательностей не так велика, смещение электрона еще меньше, и поэтому следует говорить об ионной химической связи с определенной долей ковалентной.

Соединения, в которых вклад ионной связи значителен, принято называть ионными. Большинство бинарных соединений, содержащих атомы металлов, являются ионными, т. е. в них химическая связь в значительной степени ионная. К числу таких соединений относятся галогениды, оксиды, сульфиды, нитриды и др.

Ионная связь возникает не только между простыми катионами и простыми анионами типа F — , Cl — , F 2- , но и между простыми катионами и сложными анионами типа NO 3 — , NO 4 2- , NO 4 3- или гидроксид-ионами ОН — . Подавляющее большинство солей и оснований являются ионными соединениями, например Na 2 SO 4 , Cu(NO 3) 2 , Mg(OH) 2 . Существуют ионные соединения, в состав которых входят сложные катионы, не содержащие атомы металла, например ион аммония NH 4 + , а также соединения, в которых сложными являются и катион, и анион, например сульфат аммония (NH 4) 2 SO 4 .

Электроны от одного атома могут полностью перейти к другому. Такое перераспределение зарядов ведет к образованию положительно и отрицательно заряженных ионов (катионов и анионов). Между ними возникает особый тип взаимодействия — ионная связь. Рассмотрим подробнее способ ее образования, строение и свойства веществ.

Электроотрицательность

Атомы отличаются по электрооотрицательности (ЭО) — способности притягивать к себе электроны с валентных оболочек других частиц. Для количественного определения используется предложенная Л. Поллингом шкала относительной электроотрицательности (безразмерная величина). Сильнее, чем у других элементов, выражена способность притягивать к себе электроны у атомов фтора, его ЭО — 4. В шкале Поллинга сразу же за фтором следуют кислород, азот, хлор. Значения ЭО водорода и других типичных неметаллов равны или близки к 2. Из металлов большинство обладает электроотрицательностью от 0,7 (Fr) до 1,7. Существует зависимость ионности связи от разности ЭО химических элементов. Чем она больше, тем выше вероятность того, что возникнет ионная связь. Этот тип взаимодействия чаще встречается при разности ЭО=1,7 и выше. Если значение меньше, то соединения относятся к полярным ковалентным.

Энергия ионизации

Для отрыва слабо связанных с ядром внешних электронов необходима энергия ионизации (ЭИ). Единица изменения этой физической величины — 1 электрон-вольт. Существуют закономерности изменения ЭИ в рядах и столбцах периодической системы, зависящие от возрастания заряда ядра. В периодах слева направо энергия ионизации увеличивается и приобретает наибольшие значения у неметаллов. В группах она уменьшается сверху вниз. Основная причина — увеличение радиуса атома и расстояния от ядра до внешних электронов, которые легко отрываются. Возникает положительно заряженная частица — соответствующий катион. По величине ЭИ можно судить о том, возникает ли ионная связь. Свойства также зависят от энергии ионизации. Например, металлы щелочные и щелочноземельные обладают небольшими значениями ЭИ. У них ярко выражены восстановительные (металлические) свойства. Инертные газы в химическом отношении малоактивны, что обусловлено их высокой энергией ионизации.

Сродство к электрону

В химических взаимодействиях атомы могут присоединять электроны с образованием отрицательной частицы — аниона, процесс сопровождается выделением энергии. Соответствующая физическая величина — это сродство к электрону. Единица измерения такая же, как энергии ионизации (1 электрон-вольт). Но ее точные значения известны не для всех элементов. Галогены обладают наибольшим сродством к электрону. На внешнем уровне атомов элементов — 7 электронов, не хватает только одного до октета. Сродство к электрону у галогенов высокое, они обладают сильными окислительными (неметаллическими) свойствами.

Взаимодействия атомов при образовании ионной связи

Атомы, имеющие незавершенный внешний уровень, находятся в неустойчивом энергетическом состоянии. Стремление к достижению стабильной электронной конфигурации — основная причина, которая приводит к образованию химических соединений. Процесс обычно сопровождается выделением энергии и может привести к молекулам и кристаллам, отличающимся по строению и свойствам. Сильные металлы и неметаллы значительно различаются между собой по ряду показателей (ЭО, ЭИ и сродству к электрону). Для них больше подходит такой тип взаимодействия, как ионная химическая связь, при которой перемещается объединяющая молекулярная орбиталь (общая электронная пара). Считается, что при образовании ионов металлы полностью передают электроны неметаллам. Прочность возникшей связи зависит от работы, необходимой для разрушения молекул, составляющих 1 моль исследуемого вещества. Эта физическая величина известна как энергия связи. Для ионных соединений ее значения составляют от нескольких десятков до сотен кДж/моль.

Образование ионов

Атом, отдающий свои электроны при химических взаимодействиях, превращается в катион (+). Принимающая частица — это анион (-). Чтобы выяснить, как будут вести себя атомы, возникнут ли ионы, нужно установить разность их ЭО. Проще всего провести такие расчеты для соединения из двух элементов, например, хлорида натрия.

Натрий имеет всего 11 электронов, конфигурация внешнего слоя — 3s 1 . Для его завершения атому легче отдать 1 электрон, чем присоединить 7. Строение валентного слоя хлора описывает формула 3s 2 3p 5 . Всего у атома 17 электронов, 7 — внешних. Не хватает одного для достижения октета и стабильной структуры. Химические свойства подтверждают предположения о том, что атом натрия отдает, а хлор принимает электроны. Возникают ионы: положительный (катион натрия) и отрицательный (анион хлора).

Ионная связь

Теряя электрон, натрий приобретает положительный заряд и устойчивую оболочку атома инертного газа неона (1s 2 2s 2 2p 6). Хлор в результате взаимодействия с натрием получает дополнительный отрицательный заряд, а ион повторяет строение атомной оболочки благородного газа аргона (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6). Приобретенный электрический заряд называется зарядом иона. Например, Na + , Ca 2+ , Cl - , F - . В составе ионов могут находиться атомы нескольких элементов: NH 4 + , SO 4 2- . Внутри таких сложных ионов частицы связаны по донорно-акцепторному или ковалентному механизму. Между разноименно заряженными частицами возникает электростатическое притяжение. Его величина в случае ионной связи пропорциональна зарядам, а с увеличением расстояния между атомами оно слабеет. Характерные признаки ионной связи:

• сильные металлы реагируют с активными неметаллическими элементами;
• электроны переходят от одного атома к другому;
• возникшие ионы обладают стабильной конфигурацией внешних оболочек;
• между противоположно заряженными частицами возникает электростатическое притяжение.

Кристаллические решетки ионных соединений

В химических реакциях металлы 1-й, 2-й и 3-й групп периодической системы обычно теряют электроны. Образуются одно-, двух- и трехзарядные положительные ионы. Неметаллы 6-й и 7-й групп обычно присоединяют электроны (исключение — реакции с фтором). Возникают одно- и двухзарядные отрицательные ионы. Затраты энергии на эти процессы, как правило, компенсируются, при создании кристалла вещества. Ионные соединения обычно находятся в твердом состоянии, образуют структуры, состоящие из противоположно заряженных катионов и анионов. Эти частицы притягиваются и образуют гигантские кристаллические решетки, в которых положительные ионы окружены отрицательными частицами (и наоборот). Суммарный заряд вещества равен нулю, ведь общее число протонов уравновешивается количеством электронов всех атомов.

Свойства веществ с ионной связью

Для ионных кристаллических веществ характерны высокие температуры кипения и плавления. Обычно эти соединения являются термостойкими. Следующую особенность можно обнаружить при растворении таких веществ в полярном растворителе (воде). Кристаллы легко разрушаются, а ионы переходят в раствор, который обладает электрической проводимостью. Ионные соединения также разрушаются при расплавлении. Появляются свободные заряженные частицы, значит, расплав проводит электрический ток. Вещества с ионной связью являются электролитами — проводниками второго рода.

Относятся к группе ионных соединений оксиды и галогениды щелочных и щелочноземельных металлов. Практически все они находят широкое применение в науке, технике, химическом производстве, металлургии.

Ионная связь – х имическая связь, образованная электростатическим притяжением между катионами и анионами.

Катионы – положительно заряженные ионы, образующийся в результате отдачи атомом электрона (например, K (ион калия), Fe 2 (ион железа), NH 4 (ион аммония), 2 (ион тетраамминмеди).

Анион – отрицательно заряженный ион, образующийся в результате приобретения атомом электрона (Cl (хлорид-ион), N 3 (нитрид-ион), PO 4 3 (фосфат-ион), 4 (гексацианоферрат-ион).

По значению заряда ионы подразделяются на:

В образовании ионной связи участвуют атомы металлов и неметаллов. Образование таких соединений получается из атомов, резко отличающихся по значению электроотрицательности в результате перехода электронов от атомов одних элементов, к другим.

При образовании ионной связи атом неметалла принимает электроны на внешний энергетический уровень и достраивает его до устойчивой конфигурации с восьмью электронами (правило октета ).

Рассмотрим механизм образования ионной связи на примере. Реакция образования хлорида натрия: атом щелочного металла теряет электрон (образуется катион натрия), а атом галогена – приобретает (образуется хлорид-ион). Ионы образуют соединение за счет электростатического притяжения между ними.

Ионная связь характеризуется ненаправленностью и ненасыщенностью.

Вещества с ионной связью имеют ионную кристаллическую решетку.
Ненаправленность ионной связи (отличие от ковалентной связи) - одно из важнейших ее свойств. Это означает, что каждый ион может притягивать к себе ионы противоположного знака по любому направлению.
Ненасыщаемость ионной связи следует из того, что каждый заряд может притягивать любое число противоположных зарядов (очевидно, что с увеличением расстояния между зарядами сила притяжения между ними ослабевает).
Это связь очень сильная и ее очень трудно разорвать физическим путем (плавлением например) именно поэтому ионные соединения имеют высокую температуру плавления. ионные соединения растворяются в полярных растворителях таких как вода например,а растворяются они потому что полярные молекулы воды "захватывают" и удерживают катионы и анионы

Структура ионных соединений.

Если в узлах кристаллической решетки расположены ионы, то такие решетки называют ионно-мы. Разноименно заряженные ионы, образующие ионные кристаллы, содержатся вместе электростатическими силами.

Поэтому структура ионных кристаллических решеток должно обеспечивать их электрическую нейтральность. Вокруг каждого иона в ионных кристаллических решетках находится определенное количество других ионов (противоположных по знаку). Так, в кристаллической решетке хлорида натрия

каждый ион Na + окружен шестью ионами Cl-. Аналогично, каждый ион Cl-окружен шестью ионами Na +. Ионные кристаллические решетки характерны для веществ с ионной связью.

Природа металлической связи. Строение кристаллов металлов.

1. с. 71–73; 2. с. 143–147; 4. с. 90–93;8. с. 138–144; 3. с. 130–132.

Ионной химической связью называется связь, которая образуется между катионами и анионами в результате их электростатического взаимодействия. Ионную связь можно рассматривать как предельный случай ковалентной полярной связи, образованной атомами с сильно различающимися значениями электроотрицательности.

При образовании ионной связи происходит значительное смещение общей пары электронов к более электроотрицательному атому, который таким образом приобретает отрицательный заряд и превращается в анион. Другой атом, лишившись своего электрона, образует катион. Ионная связь образуется только между атомными частицами таких элементов, которые сильно отличаются по своей электроотрицательности (Δχ ≥ 1,9).

Ионная связь характеризуется ненаправленностью в пространстве и ненасыщаемостью . Электрические заряды ионов обусловливают их притяжение и отталкивание и определяют стехиометрический состав соединения.

В целом ионное соединение представляет собой гигантскую ассоциацию ионов с противоположными зарядами. Поэтому химические формулы ионных соединений отражают лишь простейшее соотношение между числами атомных частиц, образующих такие ассоциации.

Металлическая связь – в заимодействие, удерживающее атомные частицы металлов в кристаллах.

Природа металлической связи подобна ковалентной связи: оба типа связи основаны на обобществлении валентных электронов. Однако в случае ковалентной связи обобщаются валентные электроны только двух соседних атомов, в то время как при образовании металлической связи в обобществлении этих электронов принимают участие сразу все атомы. Невысокие энергии ионизации металлов обусловливают легкость отрыва валентных электронов от атомов и перемещение по всему объему кристалла. Благодаря свободному перемещению электронов металлы обладают высокой электрической проводимостью и теплопроводностью.

Таким образом, относительно небольшое количество электронов обеспечивает связывание всех атомов в кристалле металла. Связь такого типа, в отличие от ковалентной, является нелокализованной и ненаправленной .

7. Межмолекулярное взаимодействие . Ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействие молекул. Зависимость энергии межмолекулярного взаимодействия от величины дипольного момента, поляризуемости и размера молекул. Энергия межмолекулярного взаимодействия и агрегатное состояние веществ. Характер изменения температур кипения и плавления простых веществ и молекулярных соединений р-элементов IV-VII групп.

1. с. 73–75; 2. с. 149–151; 4. с. 93–95; 8. с. 144–146; 11. с. 139–140.

Хотя молекулы в целом электронейтральны, между ними осуществляется межмолекулярное взаимодействие.

Силы сцепления, действующие между одиночными молекулами и приводящие вначале к образованию молекулярной жидкости, а затем молекулярных кристаллов, получили название межмолекулярных сил , или сил Ван-дер-Ваальса .

Межмолекулярное взаимодействие, как и химическая связь, имеет электростатическую природу , но, в отличие от последней, является очень слабым; проявляется на значительно больших расстояниях и характеризуется отсутствием насыщаемости.

Различают три типа межмолекулярного взаимодействия. К первому типу относится ориентационное взаимодействие полярных молекул. При сближении полярные молекулы ориентируются друг относительно друга в соответствии с знаками зарядов на концах диполей. Чем более полярны молекулы, тем прочнее ориентационное взаимодействие. Его энергия определяется, прежде всего, величиной электрических моментов диполей молекул (т. е. их полярностью).

Индукционное взаимодействие – это электростатическое взаимодействие между полярными и неполярными молекулами .

В неполярной молекуле под воздействием электрического поля полярной молекулы возникает «наведенный» (индуцированный) диполь, который притягивается к постоянному диполю полярной молекулы. Энергия индукционного взаимодействия определяется электрическим моментом диполя полярной молекулы и поляризуемостью неполярной молекулы.

Дисперсионное взаимодействие возникает в результате взаимного притяжения так называемых мгновенных диполей . Диполи такого типа возникают в неполярных молекулах в любой момент времени вследствие несовпадения электрических центров тяжести электронного облака и ядер, вызванного их независимыми колебаниями.

Относительная величина вклада отдельных составляющих в общую энергию межмолекулярного взаимодействия зависит от двух основных электростатических характеристик молекулы – ее полярности и поляризуемости, которые, в свою очередь, определяются размерами и структурой молекулы.

8. Водородная связь . Механизм образования и природа водородной связи. Сравнение энергии водородной связи с энергией химической связи и энергией межмолекулярного взаимодействия. Межмолекулярные и внутримолекулярные водородные связи. Характер изменения температур плавления и кипения гидридов р-элементов IV-VII групп. Значение водородных связей для природных объектов. Аномальные свойства воды.

1. с. 75–77; 2. с. 147–149; 4. с. 95–96; 11. с. 140–143.

Одной из разновидностей межмолекулярного взаимодействия является водородная связь . Она осуществляется между положительно поляризованным атомом водорода одной молекулы и отрицательно поляризованным атомом Х другой молекулы:

Х δ- ─Н δ+ Х δ- ─Н δ+ ,

где Х – атом одного из наиболее электроотрицательных элементов – F, O или N, а символ – условное обозначение водородной связи.

Образование водородной связи обусловлено, прежде всего, тем, что у атома водорода имеется только один электрон, который при образовании полярной ковалентной связи с атомом Х смещается в его сторону. На атоме водорода возникает высокий положительный заряд, что в сочетании с отсутствием внутренних электронных слоев в атоме водорода позволяет другому атому сближаться с ним до расстояний, близких к длинам ковалентных связей.

Таким образом, водородная связь образуется в результате взаимодействия диполей. Однако в отличие от обычного диполь-дипольного взаимодействия, механизм возникновения водородной связи обусловлен и донорно-акцепторным взаимодействием, где донором электронной пары является атом Х одной молекулы, а акцептором – атом водорода другой.

Водородная связь обладает свойствами направленности и насыщаемости. Наличие водородной связи существенно влияет на физические свойства веществ. Например, температуры плавления и кипения HF, H 2 O и NH 3 выше, чем у гидридов других элементов тех же групп. Причиной аномального поведения является наличие водородных связей, на разрыв которых требуется дополнительная энергия.

9. Ионная связь, ее свойства. Строение и св-ва веществ с ионной связью. Примеры веществ с ионной связью.

Ионная связь – связь за счет электростатического взаимодействия противоположно заряженных ионов: катионов и анионов. Ионная связь возникает при взаимодействии атомов с разностью электроотрицательности > 2. В этом случае за счет смещения электронной плотности атомы превращаются в ионы (электронная пара полностью переходит во владение наиболее электроотрицательного атома) Rb + F → Rb + : F -

NaCl; χ (Na)=0,9; χ (Cl)=3,1;  χ =χ (Cl)- χ (Na)=3.1-0.9=-2,2.

Ионы -это заряженные частицы, превращающиеся в атомы путем принятия или отдачи электронов. Ионы принято рассматривать, как заряды со сферической симметрией силового поля, а взаимодействие таких зарядов ненасыщаемо и ненаправляемо.

Каждый ион в ионном кристалле окружает себя на близком расстоянии таким числом противо-ионов, которое может геометрически разместить.

Понятие молекулы для ионного соединения: из-за ненасыщенности и ненаправленности молекулы ионной связи носят условный характер.

Формула в молекуле ионного соединения показывает лишь простейшие соотношения между количествами катионов и анионов в макрокристалле вещества.

Строение

1. Ионны в кристале упаковываются таким образом, чтобы одноименные находились как можно дальше (мин отталкивались), а различные как можно ближн (мах притяжение).

По этой причине ионные кристалы характерезуются принципом плотнейшей упаковки.

Вокруг каждого ионна может располагаться ограниченное число противо-ионнов.

Это число называется координационным чилом (к.ч.) f (r катион /r анион).

2. В ионном кристале нельзя выделить реально существующую структурную единицу (молекулу). Молекула для ионного вещества – условная формульная единица. Она лишь показывает соотношение кол-ва катионов и анионов в макрокристале вещества. NaCl AlCl 3

Свойства веществ с ионной связью

1) Прочные и Твердые, Е св = 500÷1000 кДж/моль;

2) Хрупкие - не выдерживают воздействий, приводящих к смещению ионных слоев;

3) Не проводят эл ток и тепло (с твердом состоянии), т.к нет свободных электронов

Примеры веществ с ионной связью.

К веществам с ионной связью относятся все соли, образованные органически и неорганически,

соединения между наиболее активными Ме и НеМе,

Если НеМе более активен чем Ме => между ними ионная связь.

10. Металлическая связь и ее свойства. Строение и свойства веществ с металлической связью.

Металлическая связь - Связь металлов и сплавов за счет электронного взаимодействия свободных е - и положительно заряженных катионов металлов.

Особые свойства : Металлическая связь, как и ионная, ненасыщена и ненаправлена, так как это взаимодействие катионов и электронов.

Свойства веществ с ме.связью:

прочность, твердость, агрегатное состояние, t кипения, t плавления зависят от числа валентных электронов.

Свойства веществ с металлической связью

Металлы - это вещества обладающие высокой электро и тепловодностью, ковкостью, пластичностью и металлическим блеском.эти характерные свойства обусловлены наличием свободно перемещающихся электронов в кристаллической решетке.