Ионная химическая связь

Типы химических связей: ионная, ковалентная, металлическая

Ионная химическая связь

1001student.ru > Химия > Типы химических связей: ионная, ковалентная, металлическая

Атомы большинства элементов не суще­ствуют отдельно, так как могут взаимодействовать между собой. При этом взаимодействии образуются более сложные части­цы.

Природа химической связи состоит в действии электростатических сил, которые являются силами взаимодействия между электричес­кими зарядами. Такие заряды имеют электроны и ядра атомов.

Электроны, расположенные на внешних электронных уровнях (валентные электроны) находясь дальше всех от ядра, слабее всего с ним взаимодействуют, а значит способны отрываться от ядра. Именно они отвечают за связывание атомов друг с другом.

  • Типы взаимодействия в химии
  • Характеристика ионной связи
  • Примеры образования
  • Металлическая химическая связь
  • Ковалентная: полярная и неполярная
  • Свойства и характеристика ковалентности
  • Как определить химическую связь вещества

Типы взаимодействия в химии

Типы химической связи можно представить в виде следующей таблицы:

внутримолекулярныемежмолекулярные
ионноеводородное
металлическоевандерваальсовое
ковалентноеион-дипольное
диполь-дипольное

Характеристика ионной связи

Химическое взаимодействие, которое образуется из-за притяжения ионов, имеющих разные заряды, называется ионным.

Такое происходит, если связываемые атомы имеют существенную разницу в электроотрицательности (то есть способности притягивать электроны) и электронная пара переходит к более электроотрицательному элементу.

Результатом такого перехода электронов от одного атома к другому является образование заряженных частиц — ионов. Между ними и возникает притяжение.

Наименьшими показателями электроотрицательности обладают типичные металлы, а наибольшими — типичные неметаллы. Ионы, таким образом, образуются при взаимодействии между типичными металлами и типичными неметаллами.

Атомы металла становятся положительно заряженными ионами (катионами), отдавая электроны внешних электронных уровней, а неметаллы принимают электроны, превращаясь таким образом в отрицательно заряженные ионы (анионы).

Атомы переходят в более устойчивое энергетическое состояние, завершая свои электронные конфигурации.

Ионная связь ненаправленная и не насыщаемая, так как электростатическое взаимодействие происходит во все стороны, соответственно ион может притягивать ионы противоположного знака во всех направлениях.

Расположение ионов таково, что вокруг каждого находится определённое число противоположно заряженных ионов. Понятие «молекула» для ионных соединений смысла не имеет.

Примеры образования

Образование связи в хлориде натрия (nacl) обусловлено передачей электрона от атома Na к атому Cl с образованием соответствующих ионов:

Na0 — 1 е = Na + (катион)

Cl0 + 1 е = Cl— (анион)

В хлориде натрия вокруг катионов натрия расположено шесть анионов хлора, а вокруг каждого иона хлора — шесть ионов натрия.

При образовании взаимодействия между атомами в сульфиде бария происходят следующие процессы:

Ba0 — 2 е = Ba2+

S0 + 2 е = S2-

Ва отдаёт свои два электрона сере в результате чего образуются анионы серы S2- и катионы бария Ba2+ .

Металлическая химическая связь

Число электронов внешних энергетических уровней металлов невелико, они легко отрываются от ядра. В результате такого отрыва образуются ионы металла и свобод­ные электроны. Эти электроны называются «электронным газом». Электроны свободно перемещаются по объёму металла и постоянно связываются и отрываются от атомов.

Строение вещества металла таково: кристаллическая решётка является остовом вещества, а между её узлами электроны могут свободно перемещаться.

Можно привести следующие примеры:

Mg — 2е Mg2+

Cs — e Cs+

Ca — 2e Ca2+

Fe — 3e Fe3+

Ковалентная: полярная и неполярная

Наиболее распространённым видом химического взаимодействия является ковалентная связь. Значения электроотрицательности элементов, вступающих во взаимодействие, отличаются не резко, в связи с этим происходит только смещение общей электронной пары к более электроотрицательному атому.

Ковалентное взаимодействие может образовываться по обменному механизму или по донорно-акцепторному.

Обменный механизм реализуется, если у каждого из атомов есть неспаренные электроны на внешних электронных уровнях и перекрывание атомных орбиталей приводит к возникновению пары электронов, принадлежащей уже обоим атомам.

Когда же у одного из атомов есть пара электронов на внешнем электронном уровне, а у другого — свободная орбиталь, то при перекрывании атомных орбиталей происходит обобществление электронной пары и взаимодействие по донорно-акцепторному механизму.

Ковалентные разделяются по кратности на:

  • простые или одинарные;
  • двойные;
  • тройные.

Двойные обеспечивают обобществление сразу двух пар электронов, а тройные — трёх.

По распределению электронной плотности (полярности) между связываемыми атомами ковалентная связь делится на:

Неполярную связь образуют одинаковые атомы, а полярную — разные по электроотрицательности.

Взаимодействие близких по электроотрицательности атомов называют неполярной связью. Общая пара электронов в такой молекуле не притянута ни к одному из атомов, а принадлежит в равной мере обоим.

Взаимодействие различающихся по электроотрицательности элементов приводит к образованию полярных связей.

Общие электронные пары при таком типе взаимодействия притягиваются более электроотрицательным элементом, но полностью к нему не переходят (то есть образования ионов не происходит).

В результате такого смещения электронной плотности на атомах появляются частичные заряды: на более электроотрицательном — отрицательный заряд, а на менее — положительный.

Свойства и характеристика ковалентности

Основные характеристики ковалентной связи:

  • Длина определяется расстоянием между ядрами взаимодействующих атомов.
  • Полярность определяется смещением электронного облака к одному из атомов.
  • Направленность — свойство образовывать ориентированные в пространстве связи и, соответственно, молекулы, имеющие определённые геометрические формы.
  • Насыщаемость определяется способностью образовывать ограниченное число связей.
  • Поляризуемость определяется способностью изменять полярность под действием внешнего электрического поля.
  • Энергия необходимая для разрушения связи, определяющая её прочность.

Примером ковалентного неполярного взаимодействия могут быть молекулы водорода (H2), хлора (Cl2), кислорода (O2), азота (N2) и многие другие.

H· + ·H → H-H молекула имеет одинарную неполярную связь,

O: + :O → O=O молекула имеет двойную неполярную,

Ṅ: + Ṅ: → N≡N молекула имеет тройную неполярную.

В качестве примеров ковалентной связи химических элементов можно привести молекулы углекислого (CO2) и угарного (CO) газа, сероводорода (H2S), аммиака (NH3), соляной кислоты (HCL), воды (H2O), метана (CH4), оксида серы (SO2) и многих других.

В молекуле CO2 взаимосвязь между углеродом и атомами кислорода ковалентная полярная, так как более электроотрицательный водород притягивает к себе электронную плотность. Кислород имеет два неспаренных электрона на внешнем уровне, а углерод может предоставить для образования взаимодействия четыре валентных электрона. В результате образуются двойные связи и молекула выглядит так: O=C=O.

Как определить химическую связь вещества

Для того чтобы определиться с типом связи в той или иной молекуле, достаточно рассмотреть составляющие её атомы. Простые вещества металлы образуют металлическую, металлы с неметаллами — ионную, простые вещества неметаллы — ковалентную неполярную, а молекулы, состоящие из разных неметаллов, образуются посредством ковалентной полярной связью.

Источник: https://1001student.ru/himiya/tipy-himicheskih-svyazej-ionnaya-kovalentnaya-metallicheskaya.html

Ионная связь – примеры: что это такое, формула вещества, схема и свойства, способ образования и определение

Ионная химическая связь

Все химические соединения образуются посредством образования химической связи. И в зависимости от типа соединяющихся частиц различают несколько видов. Самые основные – это ковалентная полярная, ковалентная неполярная, водородная, металлическая и ионная. Сегодня речь пойдет об ионной.

Что такое ионы

Она образуется между двумя атомами – как правило, металла и неметалла, при условии, что разница электроотрицательностей между ними очень велика. Электроотрицательность атомов и ионов оценивается по шкале Поллинга.

Поэтому для того чтобы правильно рассматривать характеристики соединений, было введено понятие ионности. Эта характеристика позволяет определить на сколько процентов конкретная связь представляет именно ионную.

Соединение с максимальной ионностью это фторид цезия, в котором она составляет примерно 97%. Ионная связь характерна для веществ, образованных атомами металлов, располагающихся в первой и второй группе таблицы Д.И. Менделеева, и атомами неметаллов, находящихся в шестой и седьмой группах этой же таблицы.
Обратите внимание! Стоит заметить, что не существует соединения, в котором взаимосвязь исключительно ионная. Для открытых на данный момент элементов нельзя добиться настолько большой разницы в электроотрицательности, чтобы получить 100%-ное ионное соединение. Поэтому определение ионной связи не совсем корректно, так как реально рассматриваются соединения с частичным ионным взаимодействием.

Зачем же ввели этот термин, если реально такого явления не существует? Дело в том, что этот подход помог объяснить многие нюансы в свойствах солей, оксидов и других веществ. Например, почему они хорошо растворимы в воде, а их растворы способны проводить электрический ток. Это невозможно объяснить ни с каких других позиций.

Механизм образования

Образование ионной связи возможно только при соблюдении двух условий: если атом металла, участвующий в реакции, способен легко отдать электроны, находящиеся на последнем энергетическом уровне, а атом неметалла способен эти электроны принять. Атомы металлов по своей природе являются восстановителями, то есть способны к отдаче электронов.

Это связано с тем, что на последнем энергетическом уровне в металле могут находится от одного до трех электронов, а радиус самой частицы достаточно большой.

Поэтому сила взаимодействия ядра с электронами на последнем уровне настолько мала, что они могут легко уходить с него. С неметаллами ситуация совершенно иная.

Они имеют маленький радиус, а количество собственных электронов на последнем уровне может быть от трех и до семи.

И взаимодействие между ними и положительным ядром достаточно сильная, но любой атом стремится к завершению энергетического уровня, поэтому атомы неметалла стремятся получить недостающие электроны.

И когда встречаются два атома – металла и неметалла, происходит переход электронов от атома металла к атому неметалла, при этом образуется химическое взаимодействие.

Схема соединения

На рисунке наглядно видно, как именно осуществляется образование ионной связи. Изначально существуют нейтрально заряженные атомы натрия и хлора.

Первый имеет один электрон на последнем энергетическом уровне, второй семь. Далее происходит переход электрона от натрия к хлору и образование двух ионов. Которые соединяются между собой с образованием вещества. Что такое ион? Ион – это заряженная частица, в которой количество протонов не равно количеству электронов.

Отличия от ковалентного типа

Ионная связь за счет своей специфичности не имеет направленности. Это связано с тем, что электрическое поле иона представляет собой сферу, при том оно убывает или возрастает в одном направлении равномерно, подчиняясь одному и тому же закону.

В отличие от ковалентной, которая образуется за счет перекрывания электронных облаков.

Второе отличие заключается в том, что ковалентная связь насыщенна. Что это значит? Количество электронных облаков, которые могут принимать участие в взаимодействии ограниченно.

А в ионной за счет того, что электрическое поле имеет сферическую форму, оно может соединяться с неограниченным количеством ионов. А значит, можно говорить о том, что она не насыщена.

Также она может характеризоваться еще несколькими свойствами:

  1. Энергия связи – это количественная характеристика, и она зависит от количества энергии, которое необходимо затратить на ее разрыв. Она зависит от двух критериев – длины связи и заряда ионов, участвующих в ее образовании. Связь тем прочнее, чем короче ее длина и больше заряды ионов, ее формирующих.
  2. Длина – этот критерий уже упоминался в предыдущем пункте. Он зависит исключительно от радиуса частиц, участвующих в образовании соединения. Радиус атомов изменяется следующим образом: уменьшается по периоду при увеличении порядкового номера и увеличивается в группе.

Важно! Прочность также во многом зависит от строения кристаллической решетки. И здесь она такая, что одноименно заряженные частицы находятся на максимально возможном расстоянии, что уменьшает отталкивание между ними и повышает собственно прочность.

Вещества с ионной связью

Она характерна для значительного числа химических соединений. Это большая часть всех солей, в том числе и всем известная поваренная соль. Она встречается во всех соединениях, где есть непосредственный контакт между металлом и неметаллом. Вот некоторые примеры веществ с ионной связью:

  • хлориды натрия и калия,
  • фторид цезия,
  • оксид магния.

Также она может проявляться и в сложных соединениях.

Например, сульфат магния.

Перед вами формула вещества с ионной и ковалентной связью:

Между ионами кислорода и магния будет образовываться ионная связь, а вот сера и кислород соединены между собой уже с помощью ковалентной полярной.

Из чего можно сделать вывод, что ионная связь характерна для сложных химических соединений.

Что такое ионная связь в химии

Виды химической связи — ионная, ковалентная, металлическая



Вывод

Свойства напрямую зависят от устройства кристаллической решетки. Поэтому все соединения с ионной связью хорошо растворимы в воде и других полярных растворителях, проводят электрический ток и являются диэлектриками. При этом довольно тугоплавки и хрупки. Свойства этих веществ довольно часто применяются в устройстве электрических приборов.

! Какой процесс называется плавление и отвердевание кристаллических тел

Источник: https://uchim.guru/himiya/ionnaya-svyaz-primery.html

Ионная химическая связь

Ионная химическая связь

  • Шубный Иван Андреевич, учитель химии

Разделы: Химия, Конкурс «Презентация к уроку»

Презентация к уроку

Загрузить презентацию (237,2 кБ)

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели урока:

  • Сформировать понятие об химических связях на примере ионной связи. Добиться понимания образования ионной связи как крайнего случая полярной.
  • Обеспечить в ходе урока усвоение следующих основных понятий: ионы (катион, анион), ионная связь.
  • Развивать умственную деятельность учащихся через создание проблемной ситуации при изучении нового материала.

Задачи:

  • научить распознавать виды химической связи;
  • повторить строение атома;
  • исследовать механизм образования ионной химической связи;
  • научить составлять схемы образования и электронные формулы ионных соединений, уравнения реакций с обозначением перехода электронов.

Оборудование: компьютер, проектор, мультимедийный ресурс, периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева, таблица «Ионная связь».

Тип урока: Формирование новых знаний.

Вид урока: Мультимедиа урок.

II. Проверка домашнего задания

Учитель: Как атомы могут принимать устойчивые электронные конфигурации? Каковы cпособы образования ковалентной связи?

Ученик: Полярная и неполярная ковалентные связи образованы по обменному механизму. К обменному механизму относят случаи, когда в образовании электронной пары от каждого атома участвует по одному электрону. Например, водород: (слайд 2)

Связь возникает благодаря образованию общей электронной пары за счет объединения неспаренных электронов. У каждого атома есть по одному s-электрону. Атомы Н равноценны и пары одинаково принадлежат обоим атомам. Поэтому же принципу происходит образование общих электронных пар (перекрывание р-электронных облаков) при образовании молекулы F2. (слайд 3)

Запись H· означает, что у атома водорода на внешнем электронном слое находится 1 электрон. Запись показывает, что на внешнем электронном слое атома фтора находится 7 электронов.

При образовании молекулы N2. Образуются 3 общие электронные пары. Перекрываются р-орбитали. (слайд 4)

Связь называется неполярная.

Учитель: Мы сейчас рассмотрели случаи, когда образуются молекулы простого вещества. Но вокруг нас множество веществ, сложного строения. Возьмем молекулу фтороводорода. Как в этом случае происходит образование связи?

Ученик: При образовании молекулы фтороводорода перекрывается орбиталь s-электрона водорода и орбиталь р-электрона фтора Н-F. (слайд 5)

Связывающая электронная пара смещена к атому фтора, в результате чего образуется диполь. Связь называется полярная.

III. Актуализация знаний

Учитель: Химическая связь возникает вследствие изменений, которые происходят с наружными электронными оболочками соединяющихся атомов. Это возможно потому, что наружные электронные слои не завершены у элементов, кроме инертных газов. Химическая связь объясняется стремлением атомов приобрести устойчивую электронную конфигурацию, подобную конфигурации «ближайшего» к ним инертного газа.

Учитель: Записать схему электронного строения атома натрия (у доски). (слайд 6)

Учитель: Как добиться завершения заполнения электронного слоя?

Ученик: Атому натрия для достижения устойчивости электронной оболочки необходимо либо отдать один электрон, либо принять семь. Натрий легко отдаст свой далекий от ядра и слабо связанный с ним электрон.

Учитель: Составить схему отдачи электрона.

Nа° – 1ē → Nа+ = Ne

Учитель: Записать схему электронного строения атома фтора (у доски).

Учитель: Как добиться завершения заполнения электронного слоя?

Ученик: Атому фтора для достижения устойчивости электронной оболочки необходимо либо отдать семь электронов, либо принять один. Энергетически выгоднее фтору принять электрон.

Учитель: Составить схему приема электрона.

F° + 1ē → F- = Ne

IV. Изучение нового материал.

Учитель обращается с вопросом к классу, в котором ставится задача урока:

Возможны ли другие варианты, при которых атомы могут принимать устойчивые электронные конфигурации? Каковы пути образования таких связей?

Сегодня мы рассмотрим один из видов связей – ионную связь. Сопоставим строение электронных оболочек уже названных атомов и инертных газов.

Беседа с классом.

Учитель: Какой заряд имели атомы натрия и фтора до реакции?

Ученик: Атомы натрия и фтора электронейтральны, т.к. заряды их ядер уравновешиваются электронами, вращающимися вокруг ядра.

Учитель: Что происходит между атомами при отдаче и принятии электронов?

Ученик: Атомы приобретают заряды.

Учитель дает пояснения: В формуле иона дополнительно записывают его заряд. Для этого используют верхний индекс. В нем цифрой указывают величину заряда (единицу не пишут), а потом – знак (плюс или минус).

Например, ион Натрия с зарядом +1 имеет формулу Na+ (читается «натрий-плюс»), ион Фтора с зарядом -1 – F- («фтор-минус»), гидроксид-ион с зарядом -1 – ОН- («о-аш-минус»), карбонат-ион с зарядом -2 – CO32- («цэ-о-три-два-минус»).

В формулах ионных соединений сначала записывают, не указывая зарядов, положительно заряженные ионы, а потом — отрицательно заряженные. Если формула правильная, то сумма зарядов всех ионов в ней равна нулю.

Положительно заряженный ионназывается катионом,аотрицательно заряженный ион— анионом.

Учитель: Записываем определение в рабочие тетради:

Ион – это заряженная частица, в которую превращается атом в результате принятия или отдачи электронов.

Учитель: Как определить величину заряда иона кальция Ca2+?

Ученик: Ио́н – электрически заряженная частица, образующаяся в результате потери или присоединения одного или нескольких электронов атомом. У кальция на последнем электронном уровне находятся два электрона, ионизация атома кальция происходит при отдаче двух электронов. Ca2+ – двухзарядный катион.

Учитель: Что происходит с радиусами этих ионов?

При переходе электронейтрального атома в ионное состояние размер частицы сильно изменяется. Атом, отдавая свои валентные электроны, превращается при этом в более компактную частицу – катион.

Например, при переходе атома натрия в катион Na+, имеющий, как указано выше, структуру неона, радиус частицы сильно уменьшается.

Радиус аниона всегда больше радиуса соответствующего электронейтрального атома.

Учитель: Что происходит с разноименно заряженными частицами?

Ученик: Разноименно заряженные ионы натрия и фтора, возникающие в результате перехода электрона от атома натрия к атому фтора, взаимно притягиваются и образуют фторид натрия. (слайд 7)

Nа+ + F- = NаF

Рассмотренная нами схема образования ионов показывает, как между атомом натрия и атомом фтора образуется химическая связь, которую называют ионной.

Ионная связь – химическая связь, образованная электростатическим притяжением друг к другу разноименно заряженных ионов.

Соединения, которые при этом образуются, называют ионными соединениями.

V. Закрепление нового материала

Задания для закрепления знаний и умений

1. Сравните строение электронных оболочек атома кальция и катиона кальция, атома хлора и хлорид – аниона:

Прокомментируйте схему образования ионной связи в хлориде кальция:

2. Для выполнения данного задания необходимо разделиться на группы по 3–4 человека. Каждый участник группы рассматривает один пример и результаты представляет всей группе.

Ответ учащихся:

1.  Кальций – это элемент главной подгруппы II группы, металл. Его атому легче отдать два внешних электрона, чем принять недостающие шесть:

2.  Хлор – это элемент главной подгруппы VII группы, неметалл. Его атому легче принять один электрон, которого ему не хватает до завершения внешнего уровня, чем отдать семь элект­ронов с внешнего уровня:

3.  Сначала найдем наименьшее общее кратное между зарядами образовавшихся ионов, оно равно 2 (2×1). Затем определим, сколько атомов кальция нужно взять, чтобы они отдали два электрона, то есть надо взять один атом Са и два атома CI.

4. Схематично образование ионной связи между атомами кальция и хлора можно записать: (слайд 8)

Са2+ + 2СI- → СаСI2

Задания для самоконтроля

1. На основе схемы образования химического соединения составьте уравнение химической реакции: (слайд 9)

2. На основе схемы образования химического соединения составьте уравнение химической реакции: (слайд 10)

3. Дана схема образования химического соединения: (слайд 11)

Выберите пару химических элементов, атомы которых могут взаимодействовать в соответствии с этой схемой:

а) Na и O;
б) Li и F;
в) K и O;
г) Na и F

VII. Домашнее задание.

§ 41, стр.144-145, в. 3-7, с. 145

31.03.2014

Источник: https://xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai/%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8/650483/

Химическая связь. Ковалентная и ионная связи

Ионная химическая связь

Когда изучают строение молекулы, возникает вопрос о природе сил, обеспечивающих связь между нейтральными атомами, входящими в состав молекулы. Такие связи между атомами в молекуле называют химической связью. Выделяют два типа химических связей:

  • ионная связь,
  • ковалентная связь.

Это деление в известной мере условно. В большинстве случаев связь имеет характерные черты обоих типов связей. Только детальные теоретические и эмпирические исследования дают возможность установить в каждом случае соотношение между степенью «ионности» и «ковалентности» связи.

Эмпирически доказано, что для разъединения молекул на составные части (атомы) следует выполнить работу. Значит, процесс образования молекулы должен быть сопровожден выделением энергии.

Так, 2 атома водорода, пребывающие в свободном состоянии имеют большую энергию, чем те же атомы в двухатомной молекуле $H_2.

$ Энергия, выделяемая при образовании молекулы, служит мерой работы сил взаимодействия, которые связывают атомы в молекулу.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Опыты показали, что силы взаимодействия между атомами появляются благодаря внешним валентным электронам атомов. Об этом говорит резкое изменение оптического спектра атомов вступающих в химические реакции при сохранении без изменения рентгеновского характеристического спектра атомов не зависимо от рода химического соединения.

Мы помним, что линейчатые оптические спектры определены состоянием валентных электронов, тогда как характеристическое рентгеновское излучение определяют внутренние электроны (их состояния). Понятно, что в химических взаимодействиях должны участвовать электроны, для изменения которых требуется относительно небольшая энергия. Такими электронами являются внешние электроны атомов.

Их потенциал ионизации существенно меньше, чем у электронов внутренних оболочек.

Ионная связь

Самым простым предположением о природе химической связи атомов в молекуле является гипотеза о том, что между вешними электронами появляются силы взаимодействия электрической природы.

При этом обязательным условием устойчивости молекулы в таком случае будет существование у двух атомов, которые взаимодействуют, электрических зарядов противоположного знака. Данный тип химической связи реализуется только в части молекул. При этом атомы, вступающие во взаимодействие, превращаются в ионы.

Один из атомов присоединяет к себе один или несколько электронов и становится отрицательным ионом, при этом другой атом, отдавший электроны становится положительным ионом.

Ионная связь аналогична силам притяжения между зарядами противоположных знаков. Так, например, положительно заряженный ион натрия (${Na}+$) притягивается к отрицательно заряженному иону хлора (${Cl}-$), при этом образуется молекула NaCl.

Ионную связь называют еще гетерополярной (гетеро – разный). Молекулы, в которых реализуется ионный тип связи, называют ионными или гетерополярными молекулами.

При помощи одной ионной связи не удается объяснить структуры всех молекул. Так, невозможно понять, почему образуют молекулу два нейтральных атома водорода.

Из-за одинаковости атомов водорода нельзя считать, что один ион водорода несет положительный заряд, а другой отрицательный.

Связь, подобная связи в молекуле водорода (между нейтральными атомами) объяснима только в рамках квантовой механики. Она называется ковалентной связью.

Ковалентная связь

Химическую связь, которая осуществляется между электрически нейтральными атомами в молекуле, называют ковалентной или гомеополярной связью (гомео – одинаковый). Молекулы, которые образованы на основе такой связи, называют гомеополярными или атомными молекулами.

В классической физике известен один тип взаимодействия, которое реализуется между нейтральными телами — это гравитация. Но гравитационные силы слишком слабые для того, чтобы с их помощью можно было объяснить взаимодействие в гомеополярной молекуле.

Физическая сущность ковалентной связи заключается в следующем. Электрон в поле ядра пребывает в определенном квантовом состоянии с определенной энергией. При изменении расстояния между ядрами корректируется и состояние движения электрона, и его энергия.

Если расстояние между атомами уменьшается, то энергия взаимодействия, между ядрами увеличивается, так как между ними действуют силы отталкивания. Но, если энергия электрона с уменьшением расстояния уменьшается быстрее, чем растет энергия взаимодействия ядер, то совокупная энергия системы при этом становится меньше.

Значит, в системе, которая составлена из двух отталкивающихся ядер и электрона действуют силы, которые стремятся уменьшить расстояние между ядрами (действуют силы притяжения). Эти силы и порождают ковалентную связь в молекуле.

Они появляются из-за наличия общего электрона, то есть благодаря электронному обмену между атомами, и, значит, являются обменными квантовыми силами.

Ковалентная связь имеет свойство насыщения. Это свойство проявляется через определенную валентность атомов. Так, атом водорода может связываться с одним атомом водорода, атом углерода может быть связан с не более чем четырьмя атомами водорода.

Данная связь дает возможность объяснить валентность атомов, которая не получила в рамках классической физики исчерпывающего объяснения. Так, свойство насыщения непонятно с точки зрения природы взаимодействия в классической теории.

Ковалентная связь может наблюдаться не только в двухатомных молекулах. Она характерна для большого количества молекул неорганических соединений (окись азота, аммиак, метан и др.).

Количественная теория ковалентной связи была создана для молекулы водорода в 1927 г. В. Гайтлером и Ф Лондоном на основании понятий квантовой механики. Было показано, что причиной, которая вызывает создание молекулы с ковалентной связью, является кванотовомеханический эффект, который связан с неразличимостью электронов.

Основная энергия связи определена обменным интегралом. Молекула водорода имеет суммарный спин равный нулю, она не имеет орбитального момента и в связи с этим должна быть диамагнитна. При столкновении двух атомов водорода молекула возникает только при условии, что спины обоих электронов антипараллельны.

При параллельных спинах атомы водорода молекулы не образуют, так как отталкиваются.

Если ковалентная связь соединяет два одинаковых атома, то расположение электронного облака в молекуле является симметричным. Если ковалентная связь соединяет два разных атома, то расположение электронного облака в молекуле является асимметричным.

Молекула, обладающая асимметричным распределением электронного облака, имеет постоянный дипольный момент и, значит, является полярной.

В предельном случае, когда вероятность локализации электрона около одного из атомов превалирует над вероятностью нахождения этого электрона около другого атома, ковалентная связь переходит в ионную связь. Непреодолимой границы между ионной и ковалентной связью нет.

Пример 1

Задание: Опишите, что может произойти при сближении двух атомов.

Решение:

Если уменьшать расстояние между атомами, то возможна реализация трех ситуаций:

  1. Одна пара электронов (или более) становятся общими для рассматриваемых атомов. Эти электроны перемещаются между атомами и проводят там времени больше, чем в других местах. Это создает силы притяжения.
  2. Возникает ионная связь. При этом один (или более) электронов одного атома могут перейти к другому. Таким образом, появляются положительный и отрицательный ионы, который притягивают друг друга.
  3. Не возникает связи. Электронные структуры двух атомов перекрываются и составляют единую систему. В соответствии с принципом Паули два электрона в такой системе не могут находиться в одном квантовом состоянии. Если некоторые из электронов вынуждены были перейти на более высокие энергоуровни, чем те, которые они занимали в отдельных атомах, то система будет иметь большую энергию и будет нестабильной. Даже, если удовлетворить принцип Паули, без увеличения энергии системы, то появляется электрическая сила отталкивания между разными электронами, но данный фактор оказывает гораздо меньшее влияние на создание связи, чем принцип Паули.

Пример 2

Задание: Энергией ионизации (потенциалом ионизации) элемента называют энергию, которая необходима для удаления электрона из одного его атома. Она служит мерой того насколько тесно связаны внешний электрон или электроны. Объясните, почему энергия ионизации лития больше, чем натрия, натрия больше, чем калия, калия больше, чем рубидия.

Решение:

Перечисленные элементы являются щелочными металлами и относятся к первой группе. Атом любого из этих элементов имеет единственный внешний электрон в s — состоянии.

Электроны внутренних оболочек частично экранируют внешний электрон от ядерного заряда $(+Zq_e$), как следствие эффективный заряд, который удерживает внешний электрон, оказывается равен ${+q}_e$.

Для удаления из такого атома внешнего электрона необходимо совершить относительно небольшую работу, при этом атомы щелочных металлов превращаются в положительные ионы. Чем больше атом, тем больше расстояние валентного электрона от ядра, тем меньше сила, с которой ядро его притягивает.

Поэтому энергия ионизации убывает в данной группе элементов сверху вниз (имеется в виду периодическая система элементов). Рост энергии ионизации в каждом периоде слева направо связано с увеличением заряда ядра, при постоянстве количества внутренних экранирующих электронов.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/predmet_i_zadachi_atomnoy_fiziki/himicheskaya_svyaz_kovalentnaya_i_ionnaya_svyazi/

Ионная связь

Ионная химическая связь

Ионная связь проявляется тогда, когда электроотрицательность элементов резко отличаются между собой (по шкале Полинга Δχ > 1,7), а это происходит при взаимодействии ионов, образованных из атомов элементов, характеризующихся существенно отличными химическими свойствами.

Ионная связь — это электростатическое притяжение между разноименно заряженными ионами, которые образованы в результате полного смещения общей электронной пары от атома одного элемента к атому другого элемента.

В зависимости от индивидуальных свойств у атомов одних элементов преобладает тенденция к потере электронов с преобразованием в положительно заряженные ионы (катионы ), а атомы других элементов, наоборот, стремятся приобрести электроны, превращаясь при этом в отрицательно заряженные ионы (анионы ), как это происходит с атомами обычного металла натрия и типичного неметалла хлора.

Условная модель образования ионов Na + и Cl — путем полной передачи валентного электрона от атома натрия к атому хлора

Способность элементов образовывать простые ионы (то есть исходящие от одного атома) обусловлена ​​электронной конфигурацией их изолированных атомов, а также величинами электроотрицательности, энергий ионизации и сродства к электрону (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из соответствующего отрицательного иона на бесконечное расстояние). Понятно, что катионы легче образуются атомами элементов с малыми энергиями ионизации — щелочных и щелочно-земельных металлов (Na, К, Cs, Rb, Ca, Ba, Sr и т.д.). Образование же простых катионов других элементов менее вероятно, поскольку это связано с расходом большой энергии на ионизацию атома.

Простые анионы легче образуются р-элементами седьмой группы (Cl, Br, I) вследствие их высокого сродства к электрону. Присоединение по одному электрону к атомам О, S, N сопровождается выделением энергии. А присоединение других электронов с образованием многозарядных простых анионов энергетически невыгодно.

Поэтому соединения, состоящие из простых ионов, немногочисленны. Они легче образуются при взаимодействии щелочных и щелочно-земельных металлов с галогенами.

Характеристики ионной связи

1. Ненаправленность. Электрические заряды ионов обусловливают их притяжение и отталкивание и в целом определяют стехиометрический состав соединения.

 Ионы можно представить как заряженные шарики, силовые поля которых равномерно распределяются во всех направлениях в пространстве.

 Поэтому, например, в соединении NaCl ионы натрия Na+ могут взаимодействовать с ионами хлора Cl- в любом направлении, привлекая определенное их число.

Ненаправленность — это свойство ионной связи, обусловленной способностью каждого иона притягивать к себе ионы противоположного знака в любом направлении.

Итак, ненаправленность объясняется тем, что электрическое поле иона имеет сферическую симметрию и уменьшается с расстоянием по всем направлениям, поэтому взаимодействие между ионами осуществляется независимо от направления.

2. Ненасыщенность. Понятно, что взаимодействие двух ионов противоположного знака не может привести к полной взаимной компенсации их силовых полей.

 Поэтому ион с определенным зарядом сохраняет способность притягивать другие ионы противоположного знака по всем направлениям.

 Количество таких «привлеченных» ионов ограничивается только их геометрическими размерами и силами взаимного отталкивания.

Ненасыщенность — это свойство ионной связи, которое проявляется в способности иона, который имеет определенный заряд, присоединять любое количество ионов противоположного знака.

3. Поляризация ионов. При ионной связи каждый ион, будучи носителем электрического заряда, является источником силового электрического поля, поэтому при близком расстоянии между ионами они взаимно влияют друг на друга.

Поляризация иона — это деформация его электронной оболочки под воздействием электрического силового поля другого иона.

4. Поляризуемость и поляризующая способность ионов. При поляризации самому сильному смещению подвергаются электроны внешнего слоя. Но при действии одного и того же электрического поля различные ионы деформируются в неодинаковой степени. Чем слабее связаны внешние электроны с ядром, тем легче происходит поляризация.

Поляризуемость — это относительное смещение ядра и электронной оболочки в йоне при воздействии силового электрического поля другого иона. Поляризующая способность ионов — это их свойство оказывать деформирующее действие на другие ионы.

Поляризующая способность зависит от заряда и размера иона. Чем больше заряд иона, тем сильнее его поле, то есть наибольшую поляризующей способностью обладают многозарядные ионы.

Свойства ионных соединений

При обычных условиях ионные соединения существуют в виде твердых кристаллических веществ, которые имеют высокие температуры плавления и кипения, поэтому считаются нелетучими. Например, температуры плавления и кипения NaCl составляют соответственно 8010С и 14130С, CaF2 — 14180С и 25330C.

В твердом состоянии ионные соединения не проводят электрический ток. Они хорошо растворяются в воде и слабо или совсем не растворяются в неполярных растворителях (керосин, бензин). В полярных растворителях ионные соединения диссоциируют (распадаются) на ионы.

 Это объясняется тем, что ионы имеют более высокие энергии сольватации, которые способны компенсировать энергию диссоциации на ионы в газовой фазе.

Источник: https://www.polnaja-jenciklopedija.ru/nauka-i-tehnika/ionnaya-svyaz.html

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

    ×
    Рекомендуем посмотреть