Типы химических связей

Рис. 1-4. Строение кристалла поваренной соли NaCl.

Фактически, около каждого  иона хлора располагается 6 ионов  натрия, а около каждого иона натрия - 6 ионов хлора. Такая упорядоченная упаковка ионов называется ионным кристаллом. Если в кристалле выделить отдельный атом хлора, то среди окружающих его атомов натрия уже невозможно найти тот, с которым хлор вступал в реакцию. Притянутые друг к другу электростатическими силами, ионы крайне неохотно меняют свое местоположение под влиянием внешнего усилия или повышения температуры. Но если хлорид натрия расплавить и продолжать нагревать в вакууме, то он испаряется, образуя двухатомные молекулы NaCl . Это говорит о том, что силы ковалентного связывания никогда не выключаются полностью.

По-другому устроены металлические кристаллы. Если рассмотреть кусочек металлического натрия, то обнаружится, что внешне он сильно отличается от поваренной соли. Натрий - мягкий металл, легко режется ножом, расплющивается молотком, его можно без труда расплавить в чашечке на спиртовке (плавится при 97,8 ^оС). В кристалле натрия каждый атом окружен восемью другими такими же атомами (рис. 1-5).

Рис. 1-5. Строение кристалла металлического Na.

Из рисунка видно, что атом Na в центре куба имеет 8 ближайших соседей. Но это же можно сказать и о любом другом атоме в кристалле, поскольку все они одинаковы. Кристалл состоит из "бесконечно" повторяющихся фрагментов, изображенных на этом рисунке.

Атомы натрия в кристалле отдают в пространство между атомами по одному валентному электрону (...3s¹), превращаясь в ионы натрия Na⁺. Ионы, таким образом, "омываются" электронным "морем" общих электронов. Это "электронное море" не позволяет металлическому кристаллу распадаться.

Таким образом, металлическую  связь склонны образовывать элементы, атомы которых на внешних оболочках  имеют мало валентных электронов. Эти валентные электроны, осуществляющие металлическую связь, обобществлены  настолько, что могут перемещаться по всему металлическому кристаллу и обеспечивают высокую электропроводность металла.

Кристалл NaCl не проводит электрический ток, потому что в  пространстве между ионами нет свободных  электронов. Все электроны, отданные атомами натрия, прочно удерживают около себя ионы хлора. В этом одно из существенных отличий ионных кристаллов от металлических.

Еще один вид кристаллов - это так называемые молекулярные кристаллы. "Строительными деталями" в них выступают отдельные молекулы, которые удерживаются рядом друг с другом силами межмолекулярного взаимодействия.

Такие силы могут иметь  различную природу – например, у воды это водородные связи. Молекулы также могут связываться друг с другом слабым электростатическим диполь-дипольным взаимодействием  – т.е. притяжением разноименных частичных зарядов (как в твердом СО₂ – "сухой лед"). Это могут быть и дисперсионные силы, возникающие при случайном мгновенном перераспределении электронной плотности в соседних молекулах. Последнее характерно для веществ, состоящих из неполярных молекул – например, для кристаллического йода. Силы межмолекулярного взаимодействия слабее настоящих химических связей, поэтому молекулярные кристаллы непрочные. В принципе, эти же силы удерживают молекулы друг около друга и в жидкостях, поэтому молекулярные кристаллы относительно легко плавятся или даже возгоняются (возгонка – переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое). Но если температура не велика (ниже точки плавления или возгонки), то молекулы собираются в упорядоченные каркасы, где каждая из ориентирована в пространстве строго определенным образом. Хороший пример - молекулярные кристаллы льда, в которых молекулы H₂O располагаются в строгом порядке относительно друг друга (рис. 1-6)

Рис. 1-6. Модель растущего кристалла льда

Красные шарики - атомы кислорода, белые шарики - атомы водорода в молекулах H₂O. Отдельные молекулы воды связаны друг с другом водородными связями (показаны пунктирными линиями) в строгом порядке. Это приводит к причудливым симметричным формам кристаллов (вспомните форму снежинок). Лёд - молекулярный кристалл.

Наконец, существуют кристаллы, в которых жесткая решетка  удерживаются наиболе прочными –  ковалентными связями. Такие кристаллы  называются ковалентными каркасными кристаллами или атомными кристаллами. Мельчайшими структурными частицами в них являются отдельные атомы, связанные ковалентными или полярными ковалентными связями в «бесконечный» трехмерный каркас. Благодаря этому вещества с атомной кристаллической решеткой обладают высокой механической прочностью, не имеют запаха и нерастворимы в воде.

Еще один очень известный атомный кристалл - это алмаз. Он состоит только из одного элемента углерода - того же самого, из которого состоит обыкновенная сажа и графит. В алмазе каждый 4-х валентный атом углерода связан с другим атомом углерода ковалентной связью и количество таких связанных в каркас атомов чрезвычайно велико. Алмаз можно было бы назвать гигантской молекулой, если бы к молекулам не предъявлялось требование иметь постоянный состав.

Атомы углерода образуют изогнутые шестичленные кольца. При этом каждый атом углерода находится в центре правильного тетраэдра, в вершинах которого - другие углеродные атомы. связанные с ним ковалентными связями. Углы между связями составляют 109^о - как в математическом тетраэдре.

В кристалле графита атомы углерода связаны по-иному, они объединены в слои, состоящие из плоских шестиугольников. В первом приближении можно представить, что в этих шестиугольниках атомы углерода связаны между собой чередующимися простыми и двойными связями. Расстояние между отдельными слоями в графите довольно велико, а силы взаимодействия между ними довольно слабы (в основном это слабые межмолекулярные связи, показанные вертикальными пунктирными линиями), поэтому графит может расщепляться на тонкие чешуйки. При легком нажатии чешуйки легко прилипают к бумаге – вот почему из графита делают грифели карандашей. Графит и алмаз очень несхожи по своим свойствам, хотя состоят из одного и того же элемента - углерода.

Внутри слоев атомы  углерода связаны друг с другом прочными ковалентными связями, а между слоями действуют гораздо более слабые силы межмолекулярного взаимодействия.

Графит - непрочное вещество, его легко превратить в порошок. Совсем другие свойства проявляет алмаз. Он настолько тверд, что оставляет  царапины на большинстве материалов. Алмаз проверяют на подлинность, царапая им стекло. Другой метод определения подлинности алмаза таков: если напылить на грань алмаза мелкие капли воды, то они не растекаются по грани, потому что неполярный ковалентный алмаз, как и графит, не притягивает полярные молекулы воды.

Когда химический элемент  образует два или больше простых  веществ, различных по строению и  свойствам, такое явление называется аллотропией. Графит и алмаз - две аллотропные модификации углерода. Аллотропные модификации при определенных условиях могут переходить друг в друга. Например, при очень высоких давлениях и температурах графит может переходить в алмаз. Именно так из графита делают искусственные алмазы.

 

 

 

Выводы

В ходе написания  реферативной работы был осуществлен подбор научно-технической литературы, а также сбор и систематизация информации на тему: “Химическая связь”.

Рассмотрены виды химических связей: ковалентная (полярная, неполярная), металлическая, ионная, водородная и типы кристаллических решеток. Исходя из рассмотренного, можно сделать вывод о том, характер химической связи находит отражение в агрегатном состоянии и физических свойствах вещества, иными словами строение кристаллической решетки обуславливает физические свойства веществ. Данная взаимосвязь имеет огромное прикладное значение при прогнозировании методов получения и применение веществ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Использованные  источники:

1. Глинка Н.Л. Общая химия.

2.Бродсий А.М. ред. Строение молекул квантовая химия.1979 год. 186 стр

3. Маррел Дж. , С. Кеттл, Дж. Теддер. Химическая связь. 1980 год. 387 стр..

 4. Минкин, Симкин, Миняев. Теория строения молекул. 1997 год. 560 стр.

5. Некрасов Б.В.- Основы общей химии (том 1) , издание третье, исправленное и дополненное, 1973 г.,  656 стр.