Виды химической связи
Химическая связь — взаимодействие, которое удерживает атомы или ионы вместе в молекулах и кристаллах. Типы химической связи: ковалентная (неполярная и полярная), ионная, металлическая и водородная. Вид связи можно определить по формуле: атомы одного неметалла — ковалентная неполярная (Cl₂), разных неметаллов — ковалентная полярная (HCl), металла и неметалла — ионная (NaCl), атомы металла — металлическая (Cu).
Типы химической связи
Связь возникает потому, что атомы стремятся получить устойчивую электронную оболочку — чаще всего восемь электронов на внешнем уровне, как у благородных газов. Добиться этого можно тремя путями: обобществить электроны с соседом, отдать их или принять. От того, как ведут себя внешние электроны, и зависит тип связи (как устроены оболочки — на странице электронная конфигурация).
| Тип связи | Между какими атомами | Как образуется | Примеры |
|---|---|---|---|
| Ковалентная неполярная | одинаковые атомы неметалла | общая электронная пара посередине | H₂, Cl₂, O₂, N₂ |
| Ковалентная полярная | атомы разных неметаллов | общая пара смещена к более электроотрицательному атому | HCl, H₂O, NH₃, CO₂ |
| Ионная | металл и неметалл | металл отдаёт электроны, неметалл принимает, ионы притягиваются | NaCl, CaCl₂, K₂O, NaOH |
| Металлическая | атомы металла в простом веществе и сплаве | свободные электроны, общие для всего кристалла | Na, Fe, Cu, Al |
| Водородная | атом H, связанный с F, O или N, и атом F, O, N соседней молекулы | притяжение водорода к неподелённой паре соседа | вода, HF, спирты, белки |
Ковалентная связь: неполярная и полярная
Ковалентная связь образуется общими электронными парами: каждый атом вносит в пару по одному неспаренному электрону. В молекуле водорода связь одинарная (H–H), в кислороде — двойная (O=O), в азоте — тройная (N≡N). Тройная связь очень прочная, поэтому азот при обычных условиях реагирует только с литием (6Li + N₂ → 2Li₃N).
Ковалентная неполярная связь — между одинаковыми атомами. Оба тянут пару одинаково, и она находится ровно посередине. Такая связь в простых веществах-неметаллах: H₂, Cl₂, O₂, N₂, а также в алмазе и графите.
Ковалентная полярная связь — между разными неметаллами. Общая пара смещается к более электроотрицательному атому: на нём возникает частичный отрицательный заряд δ−, на партнёре — δ+. В хлороводороде пара смещена к хлору, в воде — к кислороду. Полярные связи есть в H₂O, NH₃, CH₄, CO₂, H₂SO₄ и в большинстве органических веществ.
Кроме обычного, обменного, способа пара может образоваться донорно-акцепторным: один атом даёт готовую пару, другой — свободную орбиталь. Так аммиак присоединяет ион водорода и превращается в ион аммония: NH₃ + H⁺ → NH₄⁺.
Ионная связь
Ионная связь — притяжение противоположно заряженных ионов. Атом металла легко отдаёт внешние электроны и становится катионом, атом неметалла принимает их и становится анионом. Так образуется хлорид натрия (2Na + Cl₂ → 2NaCl):
Na⁰ − 1e⁻ → Na⁺
Cl⁰ + 1e⁻ → Cl⁻
Ионы натрия и хлора получают оболочки неона и аргона. Ионная связь — в солях, щелочах и оксидах активных металлов: NaCl, CaCl₂, K₂O, NaOH. В солях кислородсодержащих кислот, например в K₂SO₄, между K⁺ и SO₄²⁻ связь ионная, а внутри сульфат-иона — ковалентная полярная. Бывает ионная связь и без металла: в хлориде аммония роль катиона играет NH₄⁺ (NH₃ + HCl → NH₄Cl).
Ионная связь — крайний случай полярной: пара не просто смещена, а почти целиком перешла к одному атому. Резкой границы нет, поэтому правило «металл + неметалл — ионная связь» — школьное упрощение. Лучше всего оно работает для соединений щелочных и щёлочноземельных металлов.
Металлическая связь
В металле атомы отдают внешние электроны не конкретному соседу, а в общее пользование. В узлах кристалла находятся ионы и атомы металла, а между ними свободно движутся обобществлённые электроны — «электронный газ». Такую связь называют металлической.
Ею объясняются общие физические свойства металлов: электропроводность и теплопроводность (свободные электроны переносят заряд и энергию), металлический блеск (электроны отражают свет), пластичность (слои ионов сдвигаются, а связь не рвётся). Подробно — в уроке «Металлическая связь» и следующем за ним уроке «Физические свойства металлов». Металлическая связь есть и в сплавах — бронзе, латуни, стали (урок «Сплавы»).
Водородная связь
Водородная связь возникает между атомом водорода, связанным с сильно электроотрицательным атомом (F, O или N), и атомом F, O или N другой молекулы либо другой части той же молекулы. Она намного слабее ковалентной, но заметно меняет свойства веществ:
- вода кипит при 100 °C, а близкий по составу сероводород — при −60 °C: молекулы воды сцеплены водородными связями;
- лёд легче жидкой воды и плавает: водородные связи держат молекулы в рыхлой решётке;
- аммиак, фтороводород и этанол хорошо растворяются в воде, потому что образуют с ней водородные связи;
- водородные связи внутри молекул удерживают форму белков и двойную спираль ДНК.
Как определить вид связи по формуле
Для школьных заданий хватает простого алгоритма:
- Вещество — металл или сплав (Na, Fe, Cu)? Связь металлическая.
- Атомы одного неметалла (H₂, O₃, P, S, алмаз)? Ковалентная неполярная.
- Атомы разных неметаллов (HCl, H₂O, CO₂, NH₃, CH₄)? Ковалентная полярная.
- Металл и неметалл или ион аммония (NaCl, CaO, KOH, NH₄NO₃)? Ионная.
Точнее помогает электроотрицательность (ЭО) — способность атома притягивать общие электроны. Чем больше разница ЭО двух атомов, тем полярнее связь. Значения по шкале Полинга, округлённо:
- неметаллы: F 4,0; O 3,5; N 3,0; Cl 3,0; Br 2,8; S 2,5; C 2,5; H 2,1; P 2,1; Si 1,8;
- металлы: Al 1,5; Mg 1,2; Ca 1,0; Na 0,9; K 0,8.
Разница 0 — неполярная связь (H₂, Cl₂). В HCl разница 3,0 − 2,1 = 0,9 — ковалентная полярная. В NaCl 3,0 − 0,9 = 2,1 — ионная. Ориентир из учебников: при разнице больше 1,7 связь считают ионной. ЭО растёт в периоде слева направо и в группе снизу вверх, самый электроотрицательный элемент — фтор. ЭО пригодится и для степеней окисления: отрицательную степень получает более электроотрицательный атом.
Определите тип связи сами
Кристаллические решётки и свойства веществ
В кристалле частицы уложены в правильную решётку. По тому, что находится в её узлах и чем частицы связаны, различают четыре типа решёток. Зная тип связи, можно предсказать свойства вещества — и наоборот.
| Решётка | Частицы в узлах и связь | Свойства | Примеры |
|---|---|---|---|
| Атомная | атомы, прочные ковалентные связи | очень твёрдые, тугоплавкие, нерастворимы в воде | алмаз и графит (C), кремний, кварц SiO₂ |
| Молекулярная | молекулы, слабое межмолекулярное притяжение, иногда водородные связи | легкоплавкие, летучие, мягкие, часто с запахом | лёд, иод, «сухой лёд» CO₂, сахар, большинство органических веществ |
| Ионная | катионы и анионы, ионная связь | твёрдые, хрупкие, тугоплавкие; растворы и расплавы проводят ток | NaCl, NaOH, мел CaCO₃, K₂SO₄ |
| Металлическая | атомы и ионы металла, металлическая связь | блеск, ковкость, электро- и теплопроводность; плавятся от −39 °C (ртуть) до 3422 °C (вольфрам) | Fe, Cu, Al, Na |
Пример рассуждения: поваренная соль плавится при 801 °C, а иод — при 114 °C, хотя оба твёрдые. У соли ионная решётка, у иода — молекулярная: молекулы I₂ держатся слабо, поэтому при нагревании иод легко превращается в фиолетовый пар. Графит — особый случай среди веществ с атомной решёткой: он мягкий и проводит ток, потому что состоит из слоёв, слабо связанных между собой.
Читайте также
Частые вопросы
Как определить тип химической связи?
По составу вещества: металл — металлическая связь; один неметалл — ковалентная неполярная; разные неметаллы — ковалентная полярная; металл и неметалл — ионная. В пограничных случаях сравнивают электроотрицательность атомов.
Чем ковалентная полярная связь отличается от неполярной?
В неполярной связи общая электронная пара находится посередине между одинаковыми атомами (H₂, Cl₂). В полярной она смещена к более электроотрицательному атому, и на атомах появляются частичные заряды (HCl, H₂O).
Какая связь в молекуле воды?
Внутри молекулы H₂O — ковалентная полярная: электронные пары смещены к кислороду. Между молекулами воды — водородные связи, поэтому вода кипит при 100 °C.
Какой тип связи в NaCl?
Ионная: натрий отдаёт электрон хлору, ионы Na⁺ и Cl⁻ притягиваются и образуют ионную кристаллическую решётку.
Бывает ли ионная связь без металла?
Да, в солях аммония: в NH₄Cl и NH₄NO₃ катион NH₄⁺ связан с анионом ионной связью, а внутри самого иона аммония связи ковалентные.