Прочность ковалентной неполярной связи. Типы химических связей: ионная, ковалентная, металлическая. Ковалентная неполярная химическая связь

Почему атомы могут соединяться друг с другом и образовывать молекулы? Какова причина возможного существования веществ, в состав которых входят атомы совершенно разных химических элементов? Это глобальные вопросы, затрагивающие основополагающие понятия современной физической и химической науки. Ответить на них можно, имея представление об электронном строении атомов и зная характеристики ковалентной связи, являющейся базовой основой для большинства классов соединений. Цель нашей статьи - ознакомиться с механизмами образования различных типов химической связи и соединений, содержащих их в своих молекулах.

Электронное строение атома

Электронейтральные частицы материи, являющиеся ее структурными элементами, имеют строение, зеркально отражающее устройство Солнечной системы. Как планеты вращаются вокруг центральной звезды - Солнца, так и электроны в атоме движутся вокруг положительно заряженного ядра. Для характеристики ковалентной связи значимыми будут электроны, располагающиеся на последнем энергетическом уровне и наиболее удаленные от ядра. Так как их связь с центром собственного атома минимальна, они способны легко притягиваться ядрами других атомов. Это очень важно для возникновения межатомных взаимодействий, приводящих к образованию молекул. Почему же именно молекулярная форма является основным видом существования материи на нашей планете? Давайте разберемся.

Основное свойство атомов

Способность электронейтральных частиц к взаимодействию, приводящая к выигрышу в энергии, - их важнейшая особенность. Ведь в обычных условиях молекулярное состояние вещества более стойкое, чем атомное. Основные положения современного атомно-молекулярного учения объясняют как принципы образования молекул, так и характеристики ковалентной связи. Напомним, что на атома может находиться от 1 до 8 электронов, в последнем случае слой будет завершенным, а значит, очень устойчивым. Такую структуру внешнего уровня имеют атомы благородных газов: аргона, криптона, ксенона - инертных элементов, завершающих каждый период в системе Д. И. Менделеева. Исключением здесь будет гелий, у которого на последнем уровне находится не 8, а только 2 электрона. Причина проста: в первом периоде - всего два элемента, атомы которых имеют единственный электронный слой. У всех остальных химических элементов на последнем, незавершенном слое располагается от 1 до 7 электронов. В процессе взаимодействия между собой атомы будут стремиться заполниться электронами до октета и восстановить конфигурацию атома инертного элемента. Такое состояние может быть достигнуто двумя путями: потерей собственных или принятием чужих отрицательно заряженных частиц. Эти формы взаимодействия объясняют, как определить, какая связь - ионная или ковалентная - возникнет между вступающими в реакцию атомами.

Механизмы образования стойкой электронной конфигурации

Представим, что в реакцию соединения вступают два простых вещества: металлический натрий и газообразный хлор. Образуется вещество класса солей - хлорид натрия. Оно имеет ионный тип химической связи. Почему и как она возникла? Снова обратимся к строению атомов исходных веществ. У натрия на последнем слое находится всего один электрон, слабо связанный с ядром вследствие большого радиуса атома. Энергия ионизации у всех щелочных металлов, к которым относится и натрий, мала. Поэтому электрон внешнего уровня покидает энергетический уровень, притягивается ядром атома хлора и остается в его пространстве. Это создает прецедент перехода атома Cl в форму отрицательно заряженного иона. Теперь мы имеем дело уже не с электронейтральными частицами, а с заряженными катионами натрия и анионами хлора. В соответствии с законами физики между ними возникают силы электростатического притяжения, и соединение образует ионную кристаллическую решетку. Рассмотренный нами механизм формирования ионного типа химической связи поможет более четко выяснить специфику и основные характеристики ковалентной связи.

Общие электронные пары

Если ионная связь возникает между атомами элементов, сильно отличающихся электроотрицательностью, т. е. металлами и неметаллами, то ковалентный тип появляется при взаимодействии атомов как одного и того же, так и разных неметаллических элементов. В первом случае принято говорить о неполярном, а в другом - о полярном виде ковалентной связи. Механизм их образования общий: каждый из атомов частично отдает в общее пользование электроны, которые объединяются попарно. А вот пространственное расположение электронных пар относительно ядер атомов будет неодинаковым. По этому признаку и различают типы ковалентной связи - неполярную и полярную. Наиболее часто в химических соединениях, состоящих из атомов неметаллических элементов, встречаются пары, состоящие из электронов с противоположными спинами, т. е. вращающихся вокруг своих ядер в противоположные стороны. Так как движение отрицательно заряженных частиц в пространстве ведет к образованию электронных облаков, что в конечном счете заканчивается взаимным их перекрыванием. Каковы последствия этого процесса для атомов и к чему он приводит?

Физические свойства ковалентной связи

Оказывается, что между центрами двух взаимодействующих атомов возникает двухэлектронное облако, имеющее большую плотность. Усиливаются электростатические силы притяжения между самим отрицательно заряженным облаком и ядрами атомов. Высвобождается порция энергии и уменьшаются расстояния между атомными центрами. Например, в начале образования молекулы H 2 расстояние между ядрами водородных атомов составляет 1,06 А, после перекрывания облаков и образования общей электронной пары - 0,74 А. Примеры ковалентной связи, формирующейся по вышеописанному механизму, можно встретить как среди простых, так и среди сложных неорганических веществ. Ее главная отличительная черта - наличие общих электронных пар. В итоге после возникновения ковалентной связи между атомами, например, водорода каждый из них приобретает электронную конфигурацию инертного гелия, и образовавшаяся молекула имеет устойчивую структуру.

Пространственная форма молекулы

Еще одно очень важное физическое свойство ковалентной связи - это направленность. Он нее зависит пространственная конфигурация молекулы вещества. Например, при перекрывании двух электронов со сферической формой облака вид молекулы линейный (хлороводород или бромоводород). Форма молекул воды, у которой гибридизируются s- и p- облака - угловая, а очень прочные частицы газообразного азота имеют вид пирамиды.

Строение простых веществ - неметаллов

Выяснив, какую связь называют ковалентной, какие признаки она имеет, теперь самое время разобраться с ее разновидностями. Если во взаимодействие между собой вступают атомы одного и того же неметалла - хлора, азота, кислорода, брома и т. д., то формируются соответствующие простые вещества. Их общие электронные пары располагаются на одинаковом расстоянии от центров атомов, не смещаясь. Для соединений с неполярным видом ковалентной связи присущи такие признаки: низкие температуры кипения и плавления, нерастворимость в воде, диэлектрические свойства. Далее мы выясним, для каких веществ характерна ковалентная связь, при которой происходит смещение общих электронных пар.

Электроотрицательность и ее влияние на тип химической связи

Свойство определенного элемента притягивать к себе электроны от атома другого элемента в химии называют электроотрицательностью. Шкалу величин данного параметра, предложенную Л. Полингом, можно встретить во всех учебниках по неорганической и общей химии. Наибольшее его значение - 4,1 эВ - имеет фтор, меньшее - другие активные неметаллы, а наименьший показатель характерен для щелочных металлов. Если между собой реагируют элементы, отличающиеся своей электроотрицательностью, то неизбежно один, более активный, будет притягивать к своему ядру отрицательно заряженные частицы атома более пассивного элемента. Таким образом, физические свойства ковалентной связи напрямую зависят от способности элементов отдавать электроны в общее пользование. Образующиеся при этом общие пары уже не располагаются симметрично относительно ядер, а смещаются в сторону более активного элемента.

Особенности соединений с полярной связью

К веществам, в молекулах которых совместные электронные пары несимметричны относительно ядер атомов, можно отнести галогеноводороды, кислоты, соединения халькогенов с водородом и кислотные оксиды. Это сульфатная и нитратная кислоты, оксиды серы и фосфора, сероводород, и т. д. Например, молекула хлороводорода содержит одну общую электронную пару, образованную неспаренными электронами водорода и хлора. Она смещена ближе к центру атома Cl, являющегося более электроотрицательным элементом. Все вещества с полярной связью в водных растворах диссоциируют на ионы и проводят электрический ток. Соединения, имеющие которых мы привели, имеют также более высокие температуры плавления и кипения по сравнению с простыми веществами-неметаллами.

Способы разрыва химических связей

В органической химии предельных углеводородов с галогенами идут по радикальному механизму. Смесь метана и хлора на свету и при обычной температуре реагирует таким образом, что молекулы хлора начинают расщепляться на частицы, несущие неспаренные электроны. Иначе говоря, наблюдается разрушение общей электронной пары и образование очень активных радикалов -Cl. Они способны так воздействовать на молекулы метана, что у тех происходит разрыв ковалентной связи между атомами углерода и водорода. Образуется активная частица -H, а свободная валентность атома углерода принимает радикал хлора, и первым продуктом реакции становится хлорметан. Такой механизм расщепления молекул называется гомолитическим. Если же общая пара электронов полностью переходит во владение к одному из атомов, то говорят о гетеролитическом механизме, характерном для реакций, проходящих в водных растворах. В этом случае полярные молекулы воды будут усиливать скорость разрушения химических связей растворяемого соединения.

Двойные и тройные связи

Подавляющее большинство органических веществ и некоторые неорганические соединения содержат в своих молекулах не одну, а несколько общих электронных пар. Кратность ковалентной связи уменьшает расстояние между атомами и увеличивает стабильность соединений. О них принято говорить как о химически стойких. Например, в молекуле азота имеется три пары электронов, они обозначаются в структурной формуле тремя черточками и обусловливают ее прочность. Простое вещество азот химически инертен и может реагировать с другими соединениями, например с водородом, кислородом или металлами только при нагревании или повышенном давлении, а также в присутствии катализаторов.

Двойные и тройные связи присущи таким классам органических соединений, как непредельные диеновые углеводороды, а также вещества ряда этилена или ацетилена. Кратные связи обусловливают основные химические свойства: реакции присоединения и полимеризации, идущие в местах их разрыва.

В нашей статье мы дали общую характеристику ковалентной связи и рассмотрели ее основные виды.

Ковалентная связь

Характеристика химической связи. Гибридизация.

ЛЕКЦИЯ №3. Химическая связь и строение молекул. Валентность.

Лишь немногие химические элементы в природных условиях находятся в одноатомном состоянии (например, инертные газы). Свободные атомы остальных элементов образуют более сложные системы – молекулы, имеющие более стабильные электронные конфигурации. Это явление носит название образование химической связи.

Химическая связь - это взаимодействие двух или нескольких атомов, в результате которого образуется химически устойчивая двух- или многоатомная система. Образование химической связи сопровождается уменьшением полной энергии системы.

В основе теории химической связи лежат представления об электронных взаимодействиях. Наиболее устойчивыми (прочными) группировками электронов являются завершенные внешние электронные слои атомов инертных газов (двухэлекронный у гелия и восьмиэлектронный у остальных благородных газов). Незавершенные внешние электронные слои всех остальных элементов являются неустойчивыми и при соединении таких атомов с другими атомами происходит перестройка их электронных оболочек. Химическая связь образуется за счет валентных электронов, но осуществляется по-разному.

Валентными называются электроны, которые участвуют в образовании химических связей, в основном это электроны последнего или предпоследнего энергетического уровня.

Существует несколько типов химической связи: ионная, металлическая, ковалентная и водородная.

Простейший пример ковалентной связи – образование молекулы водорода. Атомы водорода имеют электронную оболочку из одного непарного s-электрона, т.е. до завершения уровня не хватает одного электрона. При сближении атомов водорода до определенного расстояния происходит взаимодействие электронов с антипараллельными спинами с формированием общей электронной пары. Общая электронная пара образуется в результате частичного перекрывания s-орбиталей и при этом в области перекрывания орбиталей создается наибольшая плотность.

Связь атомов с помощью общих электронных пар называется ковалентной.

Молекула с ковалентной связью может быть записана в виде двух формул: электронной (электрон обозначается точкой) и структурной (общая электронная пара обозначается чертой).

1. Длина связи - это расстояние между ядрами атомов. Выражается в нм. Химическая связь тем прочнее, чем меньше ее длина. Однако мерой прочности связи является ее энергия.

2. Энергия связи – это то количество энергии, которое выделяется при образовании химической связи и следовательно, это та работа, которую надо затратить на разрыв связи. Выражается в кДж/моль. Энергия связи увеличивается с уменьшением длины связи.

3. Под насыщаемостью понимают способность атомов образовывать ограниченное число ковалентных связей. Например, атом водорода, имея один неспаренный электрон, может образовывать одну связь, а атом углерода в возбужденном состоянии - не более четырех связей. Вследствие насыщаемости связей молекулы имеют определенный состав. Однако и при насыщенных ковалентных связях могут образовываться более сложные молекулы по донорно-акцепторному механизму.

4. Кратность определяется числом общих электронных пар, между атомами, т.е. количеством химических связей. В рассмотренной молекуле водорода, а также в молекулах фтора и хлора связь между атомами осуществляется за счет одной электронной пары, такая связь называется одинарной . В молекуле кислорода – двойная , а в молекуле азота – тройная.

Причем ковалентная связь может быть двух типов:

1) Если электронные облака перекрываются в направлении прямой, которая соединяет ядра атомов (т.е. по оси связи ), такая ковалентная связь называется сигма-связью . Ковалентные сигма-связи образуются при перекрывании орбиталей: s-s (молекула водорода), s-p (хлороводород) и р-р (молекула хлора).

2) Если перекрываются р-орбитали, направленные перпендикулярно оси связи, образуются две области перекрывания по обе стороны оси связи и такая связь называется пи-связью .

Несмотря на то, что энергия пи-связи меньше, чем сигма, суммарная энергия двойной, а тем более тройной связи выше одинарной.

5. Полярность связи определяется расположением общей электронной пары, если она распределяется в пространстве симметрично относительно ядер обоих атомов, то такая ковалентная связь называется неполярной . Примером, являются двухатомные молекулы, состоящие из атомов одного и того же элемента, т.е. простые вещества.

В случае же полярной ковалентной связи , молекулу образуют атомы разных элементов и электронное облако связи, в данном случае, смещено к атому с большей относительной электроотрицательностью. Например, при образовании молекулы HCl общая электронная пара смещена к атому хлора, так как он обладает большей ЭО.

ЭО – это способность атомов элементов притягивать к себе общие электронные пары. Атом, более ЭО элемента принимает эффективный отрицательный заряд d-, а второй атом – эффективный положительный заряд d+. В результате возникает диполь. Мерой полярности связи служит электрический дипольный момент .

6. Направленность ковалентной связи обуславливает пространственную структуру молекул, т.е. их геометрическую форму. Количественно направленность определяется валентным углом – это угол между химическими связями. Ковалентные связи, образуемые многовалентными атомами, всегда имеют пространственную направленность.

Длиной ковалентной связи называют расстояние между ядрами атомов, которые образуют связь. Длина связи напрямую связана с радиусом атома - чем он больше, тем длиннее связь.

Значения ковалентных радиусов некоторых атомов (пм; 10 -12 м):

• H = 30 пм;
• F = 58;
• O = 73;
• N = 75;
• C = 77;
• Cl = 99;
• S = 103;
• P = 110;
• Si = 118;
• Al = 130.

В симметричных молекулах (H 2 , F 2 , Cl 2 ...) половину длины связи называют ковалентным радиусом . Зная ковалентный радиус, очень легко вычислять длину ковалентной связи в молекуле. Например, длина ковалентной связи молекулы HF = 30 + 58 = 88 пм.

2. Энергия ковалентной связи

Под энергией ковалентной связи (выражают в ккал/моль или кДж/моль) обычно понимают энергию, которая необходима для разрыва связи (при образовании ковалентной связи энергия выделяется, при разрыве - поглощается). Чем выше энергия связи, тем прочнее связь.

Энергия связи зависит от ее длины - чем длиннее связь в молекуле, тем проще ее разорвать (затратить меньше энергии).

Энергии связи некоторых молекул (кДж/моль):

• H 2 = 453 (длина связи = 60 пм);
• Cl 2 = 242 (198 пм);
• HCl = 431 (129 пм).

3. Полярность ковалентной связи

Данная характеристика отображает расположение электронной пары двух атомов, образующих связь. Степень полярности связи зависит от величины электроотрицательности атомов, образующих связь (чем она больше, тем больше полярность связи). У более полярной ковалентной связи общая пара электронов больше смещена к более электроотрицательному атому (см. понятие электроотрицательности).

Электроотрицателность является табличной величиной, определяемой по шкале Поллинга. Гораздо более важно знать не саму электроотрицательность атома как таковую, но разницу этих значений в молекуле - какой из атомов более электроотрицателен, а какой менее.

Полярность ковалентной связи оценивается количественно при помощи дипольного момента (µ), при этом система из двух равнозначных, но противоположных по знаку, зарядов, называется диполем .

Очень важно различать дипольный момент ковалентной связи (ее полярность) и дипольный момент молекулы в целом. В простых двухатомных молекулах эти два параметра равны между собой. Совсем другая картина наблюдается в сложных молекулах, в которых дипольный момент молекулы складывается из суммы векторов дипольных моментов отдельных связей.

4. Поляризуемость ковалентной связи

Поляризуемость отображает степень способности электронов смещаться под воздействием внешнего электрического поля, формируемого ионами или другими полярными молекулами.

Поляризуемость ковалентной связи прямо пропорциональна ее длине, что, в общем-то, логично - чем дальше от ядра атома находится электрон, тем он слабее им притягивается, поэтому, легче смещается при внешнем воздействии на него. Таким образом, с увеличением длины связи происходит увеличение ее поляризуемости, что, в свою очередь, приводит к возрастанию силы кислот (например, йодистоводородная кислота сильнее фтороводородной).

Поляризуемость и полярность связи являются обратнозависимыми величинами: менее полярная связь больше поляризуется, и наоборот.

5. Насыщаемость ковалентной связи

Насыщаемостью называют способность атома образовывать определенное кол-во ковалентных связей - в образовании связи стремятся принять участие все "неспаренные" электроны атома. Например, атом водорода имеет только один неспаренный электрон, а атом азота - три. По этой причине наиболее устойчивым химическим соединением будет NH 3 , но не NH или NH 2 .

6. Направленность ковалентной связи

Направленность характеризует пространственную ориентацию ковалентной связи относительно других связей молекулы. В молекулах электроны ковалентных связей и свободные пары электронов постоянно испытывают взаимное отталкивание в результате чего ковалентные связи располагаются так, что валентный угол между ними отвечает принципу наименьшего отталкивания между электронами (например, в молекуле воды валентный угол составляет 104,5°).

7. Кратность ковалентной связи

В некоторых случаях между атомами могут возникать не одна, а две (двойная связь) или три (тройная связь) общих электронных пар (так называемые кратные связи).

Двойная ковалентная связь образуется у атомов, имеющих по два неспаренных электрона; тройная - у атомов, имеющих по три неспаренных электрона (см. Множественные связи).

Как видно из таблицы, приведенной ниже, молекула азота примерно в 7 раз "крепче" молекулы фтора.

Таблица зависимости длины и прочности ковалентной связи от ее кратности.

В большинстве случаев при образовании связи происходит обобществление электронов связываемых атомов. Такой тип химической связи называют ковалентной связью (приставка "ко-" в латинском языке означает совместность, "валенс" - имеющий силу). Связывающие электроны находятся преимущественно в пространстве между связываемыми атомами. За счет притяжения ядер атомов к этим электронам образуется химическая связь. Таким образом, ковалентная связь - это химическая связь, возникающая за счет увеличения электронной плотности в области между химически связанными атомами.

Первая теория ковалентной связи принадлежит американскому физикохимику Г.-Н. Льюису . В 1916 г. он предположил, что связи между двумя атомами осуществляется парой электронов, при этом вокруг каждого атома обычно формируется восьмиэлектронная оболочка (правило октета).

Одно из существенных свойств ковалентной связи - ее насыщаемость. При ограниченном числе внешних электронов в областях между ядрами образуется ограниченное число электронных пар вблизи каждого атома (и, следовательно, число химических связей). Именно это число тесно связано с понятием валентности атома в молекуле (валентностью называют общее число ковалентных связей, образуемых атомом). Другое важное свойство ковалентной связи - ее направленность в пространстве. Это проявляется в примерно одинаковом геометрическом строении близких по составу химических частиц. Особенностью ковалентной связи является также ее поляризуемость.

Для описания ковалентной связи используют преимущественно два метода, основанных на разных приближениях при решении уравнения Шредингера: метод молекулярных орбиталей и метод валентных связей. В настоящее время в теоретической химии используется почти исключительно метод молекулярных орбиталей. Однако метод валентных связей, несмотря на большую сложность вычислений, дает более наглядное представление об образовании и строении химических частиц.

Параметры ковалентной связи

Совокупность атомов, образующих химическую частицу, существенно отличается от совокупности свободных атомов. Образование химической связи приводит, в частности, к изменению радиусов атомов и их энергии. Происходит также перераспределение электронной плотности: повышается вероятность нахождения электронов в пространстве между связываемыми атомами.

Длина химической связи

При образовании химической связи всегда происходит сближение атомов - расстояние между ними меньше, чем сумма радиусов изолированных атомов:

r (A−B) r(A) + r (B)

Радиус атома водорода составляет 53 пм, атома фтора − 71 пм, а расстояние между ядрами атомов в молекуле HF равно 92 пм:

Межъядерное расстояние между химически связанными атомами называется длиной химической связи.

Во многих случаях длину связи между атомами в молекуле вещества можно предсказать, зная расстояния между этими атомами в других химических веществах. Длина связи между атомами углерода в алмазе равна 154 пм, между атомами галогена в молекуле хлора - 199 пм. Полусумма расстояний между атомами углерода и хлора, рассчитанная из этих данных, составляет 177 пм, что совпадает с экспериментально измеренной длиной связи в молекуле CCl 4 . В то же время это выполняется не всегда. Например, расстояние между атомами водорода и брома в двухатомных молекулах составляет 74 и 228 пм, соответственно. Среднее арифметическое этих чисел составляет 151 пм, однако реальное расстояние между атомами в молекуле бромоводорода равно 141 пм, то есть заметно меньше.

Расстояние между атомами существенно уменьшается при образовании кратных связей. Чем выше кратность связи, тем короче межатомное расстояние .

Длины некоторых простых и кратных связей

Валентные углы

Направление ковалентных связей характеризуется валентными углами - углами между линиями, соединяющими связываемые атомы. Графическая формула химической частицы не несет информации о валентных углах. Например, в сульфат-ионе SO 4 2− валентные углы между связями сера−кислород равны 109,5 o , а в тетрахлоропалладат-ионе 2− − 90 o . Совокупность длин связей и валентных углов в химической частице определяет ее пространственное строение. Для определения валентных углов используют экспериментальные методы изучения структуры химических соединений. Оценить значения валентных углов можно теоретически, исходя из электронного строения химической частицы.

Энергия ковалентной связи

Химическое соединение образуется из отдельных атомов только в том случае, если это энергетически выгодно. Если силы притяжения преобладают над силами отталкивания, потенциальная энергия взаимодействующих атомов понижается, в противном случае − повышается. На некотором расстоянии (равном длине связи r 0) эта энергия минимальна.

Таким образом, при образовании химической связи энергия выделяется, при ее разрыве − поглощается. Энергия E 0 , необходимая для того, чтобы разъединить атомы и удалить их друг от друга на расстояние, на котором они не взаимодействуют, называется энергией связи . Для двухатомных молекул энергия связи определяется как энергия диссоциации молекулы на атомы. Она может быть измерена экспериментально.

В молекуле водорода энергия связи численно равна энергии, которая выделяется при образовании молекулы Н 2 из атомов Н:

Н + Н = Н 2 + 432 кДж

Эту же энергию нужно затратить, чтобы разорвать связь Н-Н:

H 2 = H + H − 432 кДж

Для многоатомных молекул эта величина является условной и отвечает энергии такого процесса, при котором данная химическая связь исчезает, а все остальные остаются без изменения. При наличии нескольких одинаковых связей (например, для молекулы воды, содержащей две связи кислород−водород) их энергию можно рассчитать, используя закон Гесса . Величины энергии распада воды на простые вещества, а также энергии диссоциации водорода и кислорода на атомы известны:

2Н 2 О = 2Н 2 + О 2 ; 484 кДж/моль

Н 2 = 2Н; 432 кДж/моль

О 2 = 2О; 494 кДж/моль

Учитывая, что в двух молекулах воды содержится 4 связи, энергия связи кислород-водород равна:

Е (О−Н) = (2 . 432 + 494 + 484) / 4 = 460,5 кДж/моль

В молекулах состава AB n последовательный отрыв атомов В сопровождается определенными (не всегда одинаковыми) затратами энергии. Например, значения энергии (кДж/моль) последовательного отщепления атомов водорода от молекулы метана существенно различаются:

	427		368		519		335
СН 4	→	СН 3	→	СН 2	→	СН	→	С

При этом энергия связи А−В определяется как средняя величина затраченной энергии на всех стадиях:

СН 4 = С + 4Н; 1649 кДж/моль

Е (С−Н) = 1649 / 4 = 412 кДж/моль

Чем выше энергия химической связи, тем прочнее связь . Связь считается прочной, или сильной, если ее энергия превышает 500 кДж/моль (например, 942 кДж/моль для N 2), слабой - если ее энергия меньше 100 кДж/моль (например, 69 кДж/моль для NO 2). Если при взаимодействии атомов выделяется энергия менее 15 кДж/моль, то считают, что химическая связь не образуется, а наблюдается межмолекулярное взаимодействие (например, 2 кДж/моль для Xe 2). Прочность связи обычно уменьшается с увеличением ее длины.

Одинарная связь всегда слабее, чем кратные связи - двойная и тройная - между теми же атомами.

Энергии некоторых простых и кратных связей

Полярность ковалентной связи

Полярность химической связи зависит от разности электроотрицательностей связываемых атомов.

Электроотрицательность − условная величина, характеризующая способность атома в молекуле притягивать электроны. Если в двухатомной молекуле А−В образующие связь электроны притягиваются к атому В сильнее, чем к атому А, то атом В считается более электроотрицательным.

Шкала электроотрицательности была использована Л. Полингом для количественной характеристики способности атомов к поляризации ковалентных связей. Для количественного описания электроотрицательности, помимо термохимических данных, используют также данные о геометрии молекул (метод Сандерсона) или спектральные характеристики (метод Горди). Широко используют также шкалу Олреда и Рохова, в которой при расчете используют эффективный заряд ядра и атомный ковалентный радиус. Наиболее ясный физический смысл имеет метод, предложенный американским физикохимиком Р. Малликеном (1896-1986). Он определил электроотрицательность атома как полусумму его сродства к электрону и потенциала ионизации. Значения электроотрицательности, базирующиеся на методе Малликена и распространенные на широкий круг разнообразных объектов, называют абсолютными.

Самое высокое значение электроотрицательности имеет фтор. Наименее электроотрицательный элемент - цезий. Чем выше значение разности электроотрицательностей двух атомов, тем более полярной является химическая связь между ними.

В зависимости от того, как происходит перераспределение электронной плотности при образовании химической связи, различают несколько ее типов. Предельный случай поляризации химической связи - полный переход электрона от одного атома к другому. При этом образуются два иона, между которыми возникает ионная связь. Для того чтобы два атома смогли создать ионную связь, необходимо, чтобы их электроотрицательности очень сильно различались. Если электроотрицательности атомов равны (при образовании молекул из одинаковых атомов), связь называют неполярной ковалентной . Чаще всего встречается полярная ковалентная связь - она образуется между любыми атомами, имеющими разные значения электроотрицательности.

Количественной оценкой полярности ("ионности") связи могут служить эффективные заряды атомов. Эффективный заряд атома характеризует разность между числом электронов, принадлежащих данному атому в химическом соединении, и числом электронов свободного атома. Атом более электроотрицательного элемента притягивает электроны сильнее. Поэтому электроны оказываются ближе к нему, и он получает некоторый отрицательный заряд, который называют и эффективным, а у его партнера появляется такой же положительный заряд. Если электроны, образующие связь между атомами, принадлежат им в равной степени, эффективные заряды равны нулю. В ионных соединениях эффективные заряды должны совпадать с зарядами ионов. А для всех других частиц они имеют промежуточные значения.

Лучший метод оценки зарядов атомов в молекуле - решение волнового уравнения. Однако это возможно лишь при наличии малого числа атомов. Качественно распределение заряда можно оценить по шкале электроотрицательности. Используют также различные экспериментальные методы. Для двухатомных молекул охарактеризовать полярность связи и определить эффективные заряды атомов можно на основе измерения дипольного момента:

μ = q r ,

где q − заряд полюса диполя, равный для двухатомной молекулы эффективному заряду, r − межъядерное расстояние.

Дипольный момент связи является векторной величиной. Он направлен от положительно заряженной части молекулы к ее отрицательной части. На основании измерения дипольного момента было установлено, что в молекуле хлороводорода HCl на атоме водорода имеется положительный заряд +0,2 доли заряда электрона, а на атоме хлора отрицательный заряд −0,2. Значит, связь H−Cl на 20% имеет ионный характер. А связь Na−Cl является ионной на 90%.

Ковалентная связь осуществляется обобществленными валентными электронами, находящимися на общей для двух соседних атомов связывающей орбитали (см. разд. 2.2.1). При этом в случае элементарных веществ каждый из атомов «отдает» на связь одинаковое число валентных электронов и достраивает свою валентную оболочку до полностью заполненной за счет связывающих электронов ближайших соседних атомов в решетке. С этим свойством насыщаемости ковалентной связи мы познакомились на примере молекулы водорода. Его следствием является правило, установленное Юм-Розери. Согласно ему для кристаллов элементарных веществ, в которых реализуется преимущественно ковалентная связь, выполняется следующее соотношение между координационным числом Z к и номером группы N , где расположен данный элемент:

Z к = 8 − N . Структура элементарных полупроводников (преимущественная связь - ковалентная) задается этим простым эмпирическим правилом и направлением ковалентной связи.

Направление ковалентной связи определяется распределением электронной плотности в кристалле, которое можно установить с помощью, например, рентгеновских данных. Они свидетельствуют, что в кристаллах с ковалентной связью электронная плотность валентных электронов существенно неравномерно распределена в пространстве. В направлениях, являющихся кратчайшими для двух соседних атомов, электронная плотность выше, чем в других направлениях. Это означает, что валентные электроны как бы локализованы в пространстве и образуют «электронные мостики», то есть ковалентная связь имеет резко выраженный направленный характер . Характер распределения электронной плотности при образовании ковалентной связи зависит от конкретной электронной структуры взаимодействующих атомов.

Так как ковалентная химическая связь в отличие от других типов химической связи имеет локализованный характер, то она определяется не только энергией связи, но имеет и геометрические характеристики. Геометрическими характеристиками ковалентной связи являются ее длина и углы между связями в молекуле или кристалле. Длиной ковалентной

химической связи называется расстояние между ядрами атомов, объединенных ковалентной связью, в кристалле. Она зависит от размеров взаимодействующих атомов и степени перекрытия их электронных облаков. Длину связи и углы между связями определяют экспериментально с помощью методов молекулярной спектроскопии, дифракции рентгеновских лучей и другими методами.

Свойство направленности ковалентной связи рассмотрим на примере образования химической связи в алмазе.9 При этом будем руководствоваться правилами, составляющими содержание теории направленных валентностей.

1. Ковалентная единичная связь образуется при взаимодействии двух электронов с противоположными спинами, принадлежащих разным атомам.

2. Направление ковалентной связи должно отвечать направлению, в котором орбитали данного валентного электрона в максимальной степени перекрывается орбиталями другого спаренного с ним валентного электрона, принадлежащего соседнему атому.

Следует иметь в виду, что в ряде случаев форма орбиталей валентных электронов, участвующих в образовании связи, изменяется незначительно, а в ряде случаев происходит ее резкое изменение. В последнем случае возникают смешанные, так называемые гибридные орбитали .

В алмазе, состоящем из атомов углерода, как хорошо известно, реализуется ковалентная химическая связь. Электронная конфигурация валентной оболочки атома углерода в невозбужденном состоянии - 2s 22p 2. На 1s -орбитали и на 2s -орбитали находятся по два спаренных электрона, спины которых антипараллельны. Валентными оказываются две 2p -орбитали, на которых располагается по одному электрону, способному принимать участие в образовании химической связи. Эти 2p -орбитали

образуют между собой угол в 90◦. Таким образом, углерод в своих соединениях должен быть двухвалентным и формировать связи, между которыми прямой угол.

Однако, как показывают экспериментальные данные, в большинстве своих соединений углерод четырехвалентен и все четыре связи углерода одинаково прочны и имеют одинаковую ориентацию относительно друг

друга: угол между связями равен 109◦28∗. Это обстоятельство объясняется гибридизацией орбиталей, происходящей в два этапа. Сначала атом углерода переходит из основного состояния в возбужденное, при котором один из электронов с заполненной 2s 2-орбитали переходит на

9 Ковалентная связь в молекуле водорода не обладает свойством направленности из-за сферически симметричного распределения электронной плотности в s -состояниях.

Рис. 2.10. Схема гибридизации s и p -электронных облаков и пространственная ориентация sp 3 -гибридов.

пустую 2p -орбиталь. Далее происходит «перемешивание» четырех волновых функций и образование четырех новых одинаковых волновых функций, которые не являются ни s -, ни p -функциями. Это - гибридные sp 3-функции. Они эквивалентны и имеют ориентацию, показанную на рис. 2.10. Таким образом, в результирующем состоянии атом углерода в алмазе имеет четыре неспаренных электрона. Направления максимальной плотности обменных облаков, как видно из рис. 2.12, сосредоточены вдоль пространственных диагоналей куба <111>. Атом с четырьмя соседями образует правильный тетраэдр, а из совокупности тетраэдров строится «бесконечная ковалентная молекула».

Прочность химической связи зависит от степени перекрытия орбиталей валентных электронов: чем больше перекрытие, тем прочнее связь. Расчеты показывают, что перекрытие электронных оболочек соединяющихся атомов в случае гибридных sp 3-орбиталей оказывается существенно больше, чем в случае негибридных s и p -орбиталей. Хотя гибридизованным состояниям соответствует более высокая энергия электронов в атоме, чем негибридизованным, тем не менее полная энергия кристалла оказывается ниже в случае образования связи из sp 3-гибридов, поэтому гибридизация и оказывается энергетически выгодной.

В образовании ковалентной связи могут принимать участие s -, p -, d и f -орбитали. Если происходит гибридизация при образовании связи, то в зависимости от того, сколько и каких орбит гибридизуется, различают sp -, sp 2-, dsp 2-, sp 3и d 2sp 3-гибридные орбитали (рис. 2.11).

Таким образом, структура ковалентных кристаллов определяется правилом Юм-Розери, дающим число ближайших соседей, необходимых для полного насыщения химической связи, и направлением химической связи, которое может быть установлено из анализа волновых функций ва

Рис. 2.11. Пространственная ориентация sp -, sp 2 -, dsp 2 -, sp 3 и d 2 sp 3-гибридных орбиталей.

лентных электронов или экспериментально. Характерная величина энергии ковалентной связи составляет величину порядка 5–7 эВ. В полупроводниковых материалах прослеживаются следующие общие закономерности в изменении свойств при изменении энергии связи. С увеличением энергии связи между атомами уменьшается период кристаллической решетки, возрастают температура плавления и ширина запрещенной зоны.

Наиболее характерные свойства простых кристаллов, в которых реализуется преимущественно один из четырех типов химической связи, приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Свойства четырех групп твердых тел, отличающихся типами межатомных связей.

Тип межатомной связи

Характеристика и энергия связи

Ненаправленная и ненасыщенная, сильная связь; 5–7 эВ на пару ионов.

Направленная

и насыщенная, сильная связь; 5–7 эВ на атом.

Ненаправленная и ненасыщенная связь; около

3.5 эВ на атом.

Ненаправленная и ненасыщенная, слабая, короткодействующая

связь; ≈0.1 эВ на

Ионная Ковалентная Металлическая Ван-дер-Ваальсова

Структурные свойства

Крупные анионы образуют структуры с плотной упаковкой, в пустотах которых размещены катионы (Z к = 8, 6, 4 и 3).

Структуры с неплотной упаковкой решетки (например, Z к = 4) и низкой плотностью.

Z к = 12 и 8) и высокой плотностью.

Компактные кристаллические структуры с плотнейшей упаковкой (Z к = 12) и высокой плотностью.

Тепловые свойства

Довольно высокие температуры плавления. Низкий коэффициент расширения.

Высокие температуры плавления. Низкий коэффициент расширения.

Различные температуры плавления.

Низкие температуры плавления. Высокий коэффициент расширения.

Электрические свойства

Изоляторы. Проводимость носит в основном ионный характер и увеличивается с ростом температуры.

Электронный тип проводимости (два типа носителей). Активационная зависимость проводимости от температуры.

Проводники. Основной тип проводимости - электронный. Проводимость с ростом температуры уменьшается.

Изоляторы.

Оптические свойства

Прозрачны для электромагнитного излучения от низких частот до края поглощения. Обычно прозрачны в видимой области спектра.

Прозрачны для электромагнитное излучения от низких частот до края поглощения.

Непрозрачны для электромагнитных волн от самых низких частот вплоть до середины ультрафиолетовой области; хорошо отражают свет.

Прозрачны для электромагнитного излучения от низких частот до дальней ультрафиолетовой области.

Ионная Ковалентная Металлическая Ван-дер-Ваальсова

Зонная структура

зона отделена

от следующей пустой зоны проводимости широкой запрещенной зоной (Eg > 2–3 эВ).

Полностью заполненная верхняя валентная

зона отделена

от следующей пустой зоны проводимости запрещенной зоной Eg < 2–3 эВ.

Зона проводимости частично заполнена.

Полностью заполненная верхняя валентная

зона отделена

от следующей пустой зоны проводимости очень широкой запрещенной зоной.