ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, КАК ОНИ ОБРАЗУЮТСЯ, ВИДЫ - ХИМИЯ - 2025

Химическая связь является силой , которая управляет держать вместе атомы, составляющие дела. Каждый тип материи имеет характерную химическую связь, которая состоит из одного или нескольких электронов. Таким образом, силы, связывающие атомы в газах, отличаются, например, от металлов.

Все элементы периодической таблицы (за исключением гелия и легких благородных газов) могут образовывать химические связи друг с другом. Однако их природа изменяется в зависимости от того, из каких элементов берутся образующие их электроны. Важным параметром для объяснения типа связей является электроотрицательность.

Источник: By Ymwang42 (обсуждение) .Ymwang42 на en.wikipedia, из Wikimedia Commons

Разница в электроотрицательности (ΔE) между двумя атомами определяет не только тип химической связи, но и физико-химические свойства соединения. Соли характеризуются наличием ионных связей (высокий ΔE), и многие органические соединения, такие как витамин B ₁₂ (верхнее изображение), имеют ковалентные связи (низкое ΔE).

В более высокомолекулярной структуре каждая линия представляет собой ковалентную связь. Клинья указывают на то, что ссылка выходит из плоскости (в сторону читателя), а подчеркнутые - за плоскость (в сторону от читателя). Обратите внимание, что есть двойные связи (=) и атом кобальта, координированный с пятью атомами азота и боковой цепью R.

Но почему образуются такие химические связи? Ответ заключается в энергетической стабильности участвующих атомов и электронов. Эта стабильность должна уравновешивать электростатическое отталкивание между электронными облаками и ядрами и притяжение, оказываемое ядром на электроны соседнего атома.

Определение химической связи

Многие авторы дали определения химической связи. Из них наиболее важной была связь физико-химика Г. Н. Льюиса, который определил химическую связь как участие пары электронов между двумя атомами. Если атомы A · и · B могут внести один электрон, то между ними образуется одинарная связь A: B или A - B.

До образования связи и A, и B разделены неопределенным расстоянием, но при связывании теперь существует сила, удерживающая их вместе в двухатомном соединении AB, и расстояние связи (или длина).

характеристики

Источник: Габриэль Боливар

Каковы характеристики этой силы, удерживающей атомы вместе? Они больше зависят от типа связи между A и B, чем от их электронной структуры. Например, линия A - B направленная. Что это означает? Что сила, создаваемая объединением пары электронов, может быть представлена ​​на оси (как если бы это был цилиндр).

Кроме того, для разрыва этой связи требуется энергия. Это количество энергии может быть выражено в кДж / моль или кал / моль. Как только к соединению AB будет приложено достаточно энергии (например, за счет тепла), оно распадется на исходные атомы A · и · B.

Чем прочнее связь, тем больше энергии требуется для разделения связанных атомов.

С другой стороны, если бы связь в соединении AB была ионной, A ⁺ B ^- , то это была бы ненаправленная сила. Зачем? Поскольку A ⁺ оказывает на B ^- (и наоборот) силу притяжения, которая больше зависит от расстояния, разделяющего оба иона в пространстве, чем от их взаимного расположения.

Это поле притяжения и отталкивания объединяет другие ионы в так называемую кристаллическую решетку (верхнее изображение: катион A ⁺ находится в окружении четырех анионов B ^- , а они окружены четырьмя катионами A ⁺ и т. Д.).

Как образуются химические связи?

Гомоядерные соединения АК

Источник: Габриэль Боливар

Чтобы пара электронов образовала связь, в первую очередь необходимо учесть множество вещей. Ядра, скажем, ядра A, имеют протоны и поэтому положительны. Когда два атома A находятся очень далеко друг от друга, то есть на большом межъядерном расстоянии (верхнее изображение), они не испытывают притяжения.

Когда два атома A приближаются к своим ядрам, они притягивают электронное облако соседнего атома (фиолетовый кружок). Это сила притяжения (А на соседнем фиолетовом кружке). Однако два ядра A отталкиваются друг от друга, потому что они положительны, и эта сила увеличивает потенциальную энергию связи (вертикальная ось).

Существует межъядерное расстояние, на котором потенциальная энергия минимальна; то есть силы притяжения и отталкивания (два атома A в нижней части изображения) уравновешены.

Если это расстояние уменьшится после этого момента, связь приведет к очень сильному отталкиванию двух ядер друг от друга, дестабилизируя соединение AA.

Итак, для образования связи должно быть энергетически адекватное межъядерное расстояние; и, кроме того, атомные орбитали должны правильно перекрываться для связывания электронов.

Гетероядерные соединения AB

Что, если бы вместо двух атомов A соединить один из A, а другой из B? В этом случае верхний график изменится, потому что один из атомов будет иметь больше протонов, чем другой, а электронные облака будут иметь разные размеры.

Поскольку связь A - B образуется на соответствующем межъядерном расстоянии, электронная пара будет находиться в основном вблизи наиболее электроотрицательного атома. Так обстоит дело со всеми гетероядерными химическими соединениями, которые составляют подавляющее большинство из тех, которые известны (и будут известны).

Хотя это не упоминается подробно, существует множество переменных, которые напрямую влияют на то, как атомы сближаются и образуются химические связи; некоторые из них термодинамические (является ли реакция спонтанной?), электронные (насколько полны или пусты орбитали атомов) и другие кинетические.

Типы химических связей

Ссылки имеют ряд характеристик, которые отличают их друг от друга. Некоторые из них можно разделить на три основных классификации: ковалентные, ионные или металлические.

Хотя есть соединения, связи которых принадлежат к одному типу, многие фактически состоят из смеси символов каждого из них. Это связано с различием электроотрицательности между атомами, образующими связи. Таким образом, некоторые соединения могут быть ковалентными, но иметь ионный характер в своих связях.

Аналогичным образом, тип связи, структура и молекулярная масса являются ключевыми факторами, определяющими макроскопические свойства вещества (яркость, твердость, растворимость, температура плавления и т. Д.).

-Ковалентная связь

Ковалентные связи - это те, которые были объяснены до сих пор. В них две орбитали (по одному электрону в каждой) должны перекрываться с ядрами, разделенными соответствующим межъядерным расстоянием.

Согласно теории молекулярных орбиталей (TOM), если перекрытие орбиталей является фронтальным, образуется сигма-связь σ (которую также называют простой или простой связью). Если же орбитали образованы боковыми и перпендикулярными перекрытиями относительно межъядерной оси, мы будем иметь π-связи (двойные и тройные):

Источник: Габриэль Боливар

Простая ссылка

Связь σ, как видно на изображении, формируется вдоль межъядерной оси. Хотя это не показано, A и B могут иметь другие связи и, следовательно, их собственное химическое окружение (разные части молекулярной структуры). Этот тип звена отличается своей мощностью вращения (зеленый цилиндр) и является самым сильным из всех.

Например, одинарная связь в молекуле водорода может вращаться вокруг межъядерной оси (H - H). Точно так же гипотетическая молекула CA - AB может.

Связи C - A, A - A и A - B вращаются; но если C или B являются атомами или группой объемных атомов, вращение A - A стерически затруднено (потому что C и B столкнутся).

Одинарные связи встречаются практически во всех молекулах. Его атомы могут иметь любую химическую гибридизацию, если их орбитали перекрываются фронтально. Возвращаясь к структуре витамина B ₁₂ , любая одинарная линия (-) указывает на одинарную связь (например, связи –CONH ₂ ).

Двойная ссылка

Двойная связь требует, чтобы атомы были (обычно) sp ² -гибридизацией . Чистая связь p, перпендикулярная трем гибридным sp ² орбиталям , образует двойную связь, которая показана в виде сероватого листа.

Обратите внимание, что и одинарная связь (зеленый цилиндр), и двойная связь (серый лист) сосуществуют одновременно. Однако, в отличие от одинарных связей, двойные связи не обладают такой же свободой вращения вокруг межъядерной оси. Это потому, что для вращения звено (или фольга) должно разорваться; процесс, требующий энергии.

Кроме того, связь A = B более реактивна, чем связь A - B. Его длина меньше, а атомы A и B находятся на меньшем межъядерном расстоянии; следовательно, между обоими ядрами наблюдается большее отталкивание. Разрыв как одинарной, так и двойной связи требует больше энергии, чем требуется для разделения атомов в молекуле A - B.

В структуре витамина B ₁₂ можно наблюдать несколько двойных связей: C = O, P = O и внутри ароматических колец.

Тройная связь

Тройная связь даже короче, чем двойная, и ее вращение более энергетически затруднено. В нем две π-связи образуются перпендикулярно друг другу (сероватый и фиолетовый листы), а также одинарная связь.

Обычно химическая гибридизация атомов A и B должна быть sp: две sp-орбитали, разнесенные на 180º, и две чистые p-орбитали, перпендикулярные первой. Обратите внимание, что тройная связь выглядит как лопасть, но без силы вращения. Эту связь можно представить просто как A≡B (N≡N, молекула азота N ₂ ).

Из всех ковалентных связей эта самая реактивная; но в то же время тот, которому требуется больше энергии для полного разделения своих атомов (· A: +: B ·). Если бы витамин B ₁₂ имел тройную связь в своей молекулярной структуре, его фармакологический эффект резко изменился бы.

Шесть электронов участвуют в тройных связях; в двойниках - четыре электрона; а в простом или простом - два.

Образование одной или нескольких из этих ковалентных связей зависит от электронной доступности атомов; то есть, сколько электронов необходимо их орбиталям, чтобы получить один октет валентности.

Неполярная связь

Ковалентная связь состоит из равного распределения пары электронов между двумя атомами. Но это строго верно только в том случае, когда оба атома имеют одинаковую электроотрицательность; то есть та же тенденция к притягиванию электронной плотности из окружающей среды в соединение.

Неполярные связи характеризуются нулевой разностью электроотрицательностей (ΔE≈0). Это происходит в двух ситуациях: в гомоядерном соединении (A ₂ ) или если химическое окружение по обе стороны связи эквивалентно (H ₃ C - CH ₃ , молекула этана).

Примеры неполярных связей видны в следующих соединениях:

-Водород (H - H)

-Кислород (O = O)

-Азот (N≡N)

-Фтор (F - F)

-Хлор (Cl - Cl)

-Ацетилен (HC≡CH)

Полярные облигации

Когда имеется заметная разница в электроотрицательности ΔE между обоими атомами, вдоль оси связи образуется дипольный момент: A ^{δ +} –B ^δ- . В случае гетероядерного соединения AB, B является наиболее электроотрицательным атомом, и, следовательно, он имеет более высокую электронную плотность δ-; в то время как A, наименее электроотрицательный, имеет дефицит заряда δ +.

Для возникновения полярных связей должны соединиться два атома с разной электроотрицательностью; и таким образом образуют гетероядерные соединения. А - Б напоминает магнит: у него есть положительный и отрицательный полюс. Это позволяет ему взаимодействовать с другими молекулами посредством диполь-дипольных сил, среди которых есть водородные связи.

Вода имеет две полярные ковалентные связи, H - O - H, а ее молекулярная геометрия угловая, что увеличивает ее дипольный момент. Если бы его геометрия была линейной, океаны испарялись бы, а вода имела бы более низкую температуру кипения.

Тот факт, что соединение имеет полярные связи , не означает, что оно полярно . Например, четыреххлористый углерод CCl ₄ имеет четыре полярные связи C - Cl, но из-за их тетраэдрического расположения дипольный момент в конечном итоге аннулируется векторно.

Дательные или координационные ссылки

Когда атом отдает пару электронов, чтобы образовать ковалентную связь с другим атомом, мы говорим о дательной или координационной связи. Например, имея B: доступную электронную пару и A (или A ⁺ ), электронную вакансию, образуется связь B: A.

В структуре витамина B ₁₂ пять атомов азота связаны с металлическим центром Co посредством ковалентной связи этого типа. Эти атомы азота отдают свою пару свободных электронов катиону Co ³⁺ , при этом металл координируется с ними (Co ³⁺ : N–)

Другой пример можно найти в протонировании молекулы аммиака с образованием аммиака:

H ₃ N: + H ⁺ => NH ₄ ⁺

Обратите внимание, что в обоих случаях вклад электронов вносит атом азота; следовательно, дательная или координационная ковалентная связь возникает, когда один атом вносит вклад в пару электронов.

Таким же образом можно протонировать молекулу воды и превратить ее в катион гидроксония (или оксония):

Н ₂ О + Н ⁺ => Н ₃ О ⁺

В отличие от катиона аммония, гидроксоний по-прежнему имеет свободную пару электронов (H ₃ O: ⁺ ); однако ему очень трудно принять другой протон с образованием нестабильного дикатиона гидроксония, H ₄ O ²⁺ .

-Ионная связь

Источник: Pixabay

На фото белый соляной холм. Соли характеризуются наличием кристаллических структур, то есть симметричными и упорядоченными; высокие температуры плавления и кипения, высокая электропроводность при плавлении или растворении, а также его ионы прочно связаны электростатическими взаимодействиями.

Эти взаимодействия образуют так называемую ионную связь. На втором изображении был показан катион A ^+, окруженный четырьмя анионами B ^- , но это 2D-представление. В трех измерениях A ⁺ должен иметь другие анионы B ^- спереди и сзади плоскости, образуя различные структуры.

Таким образом, A ⁺ может иметь шесть, восемь или даже двенадцать соседей. Число соседей, окружающих ион в кристалле, известно как координационное число (NC). С каждым NC связан тип кристаллической структуры, которая, в свою очередь, составляет твердую фазу соли.

Симметричные и ограненные кристаллы, видимые в солях, являются результатом равновесия, установленного электростатическими взаимодействиями притяжения (A ⁺ B ^- ) и отталкивания (A ⁺ A ⁺ , B ^- B ^- ).

Повышение квалификации

Но почему A + и B ^- или Na ⁺ и Cl ^{- не} образуют ковалентных связей Na - Cl? Потому что атом хлора гораздо более электроотрицателен, чем металлический натрий, который также очень легко отдает свои электроны. Когда эти элементы встречаются, они экзотермически реагируют с образованием поваренной соли:

2Na (т) + Cl ₂ (г) => 2NaCl (т)

Два атома натрия отдают свой единственный валентный электрон (Na ·) двухатомной молекуле Cl ₂ , образуя таким образом анионы Cl ^- .

Взаимодействия между катионами натрия и хлорид-анионами, хотя они представляют более слабую связь, чем ковалентные, способны сохранять их прочно соединенными в твердом теле; и этот факт отражается в высокой температуре плавления соли (801ºC).

Металлическая связка

Источник: Pixnio

Последний из типов химических связей - металлический. Его можно найти на любой детали из металла или сплава. Он отличается тем, что он особенный и отличается от других, потому что электроны не переходят от одного атома к другому, а, скорее, путешествуют, как море, через кристалл металлов.

Таким образом, металлические атомы, например медь, перемешивают свои валентные орбитали друг с другом, образуя зоны проводимости; через которые электроны (s, p, dof) проходят вокруг атомов и крепко удерживают их вместе.

В зависимости от количества электронов, которые проходят через металлический кристалл, орбиталей, предусмотренных для зон, и упаковки его атомов, металл может быть мягким (как щелочные металлы), твердым, блестящим или хорошим проводником электричества и горячий.

Сила, которая удерживает вместе атомы металлов, таких как те, что составляют человечка на изображении и его ноутбук, больше, чем у солей.

Это можно проверить экспериментально, поскольку кристаллы солей можно разделить на несколько половин под действием механической силы; тогда как металлический предмет (состоящий из очень мелких кристаллов) деформируется.

Примеры ссылок

Следующие четыре соединения охватывают описанные типы химических связей:

-Фторид натрия, NaF (Na ⁺ F ^- ): ионный.

-Натрий, Na: металлический.

-Фтор, F ₂ (F - F): неполярный ковалентный, из-за того, что существует нулевой ΔE между обоими атомами, потому что они идентичны.

-Фтористый водород, HF (H - F): полярный ковалентный, так как в этом соединении фтор более электроотрицателен, чем водород.

Есть соединения, такие как витамин B ₁₂ , которые имеют как полярные, так и ионные ковалентные связи (в отрицательном заряде его фосфатной группы –PO ₄ ^- -). В некоторых сложных структурах, таких как металлические кластеры, все эти типы связей могут даже сосуществовать.

Материя предлагает во всех своих проявлениях примеры химических связей. От камня на дне пруда и воды, которая его окружает, до жаб, квакающих по его краям.

Хотя связи могут быть простыми, количество и пространственное расположение атомов в молекулярной структуре уступает место богатому разнообразию соединений.

Важность химической связи

В чем важность химической связи? Неисчислимое количество последствий, которые может вызвать отсутствие химической связи, подчеркивает ее огромное значение в природе:

-Без него цвета не существовали бы, поскольку его электроны не поглощали бы электромагнитное излучение. Присутствующие в атмосфере частицы пыли и льда исчезнут, и, следовательно, синий цвет неба станет темным.

-Углерод не может образовывать свои бесконечные цепи, из которых происходят миллиарды органических и биологических соединений.

- Белки нельзя даже определить по составляющим их аминокислотам. Сахар и жиры исчезнут, как и любые углеродистые соединения в живых организмах.

- У Земли не было бы атмосферы, потому что в отсутствие химических связей в ее газах не было бы силы, удерживающей их вместе. Между ними не должно быть ни малейшего межмолекулярного взаимодействия.

-Горы могут исчезнуть, потому что их камни и минералы, хотя и тяжелые, не могут содержать их атомы, упакованные внутри их кристаллических или аморфных структур.

-Мир будет образован отдельными атомами, неспособными образовывать твердые или жидкие вещества. Это также привело бы к исчезновению всех преобразований материи; то есть не было бы химической реакции. Просто летящие газы повсюду.

Ссылки

1. Гарри Б. Грей. (1965). Электроны и химическая связь. WA BENJAMIN, INC. С 36-39.
2. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. Химия. (8-е изд.). CENGAGE Learning, стр. 233, 251, 278, 279.
3. Нейв Р. (2016). Химическая связь. Получено с: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Типы химических связей. (3 октября 2006 г.). Взято с: dwb4.unl.edu
5. Образование химических связей: роль электронов. , Получено с: cod.edu
6. Фундамент СК-12. (SF). Формирование энергии и ковалентной связи. Получено с: chem.libretexts.org
7. Quimitube. (2012). Координатная или дательная ковалентная связь. Получено с: quimitube.com