Ионная связь
Теория химической связи занимает важнейшее место в современной химии . Она объясняет, почему атомы объединяются в химические частицы , и позволяет сравнивать устойчивость этих частиц . Используя теорию химической связи , можно предсказать состав и строение различных соединений . Понятие о разрыве одних химических связей и образовании других лежит в основе современных представлений о превращениях веществ в ходе химических реакций .
Химическая связь - это взаимодействие атомов , обусловливающее устойчивость химической частицы или кристалла как целого . Химическая связь образуется за счет электростатического взаимодействия между заряженными частицами : катионами и анионами, ядрами и электронами . При сближении атомов начинают действовать силы притяжения между ядром одного атома и электронами другого, а также силы отталкивания между ядрами и между электронами . На некотором расстоянии эти силы уравновешивают друг друга , и образуется устойчивая химическая частица .
При образовании химической связи может произойти существенное перераспределение электронной плотности атомов в соединении по сравнению со свободными атомами .
В предельном случае это приводит к образованию заряженных частиц - ионов (от греческого "ион" - идущий).
1 Взаимодействие ионов
Если атом теряет один или несколько электронов , то он превращается в положительный ион - катион (в переводе с греческого – «идущий вниз »). Так образуются катионы водорода Н + , лития Li + , бария Ва 2+ . Приобретая электроны, атомы превращаются в отрицательные ионы - анионы (от греческого "анион" - идущий вверх ). Примерами анионов являются фторид ион F − , сульфид-ион S 2− .
Катионы и анионы способны притягиваться друг к другу . При этом возникает химическая связь , и образуются химические соединения . Такой тип химической связи называется ионной связью :
2 Определение Ионной связи
Ионная связь - это химическая связь, образованная за счет электростатического притяжения между катионами и анионами .
Механизм образования ионной связи можно рассмотреть на примере реакции между натрием и хлором . Атом щелочного металла легко теряет электрон , а атом галогена - приобретает . В результате этого возникает катион натрия и хлорид-ион . Они образуют соединение за счет электростатического притяжения между ними .
Взаимодействие между катионами и анионами не зависит от направления , поэтому о ионной связи говорят как о ненаправленной . Каждый катион может притягивать любое число анионов , и наоборот . Вот почему ионная связь является ненасыщенной . Число взаимодействий между ионами в твердом состоянии ограничивается лишь размерами кристалла . Поэтому "молекулой " ионного соединения следует считать весь кристалл .
Для возникновения ионной связи необходимо , чтобы сумма значений энергии ионизации E i (для образования катиона) и сродства к электрону A e (для образования аниона) должна быть энергетически выгодной . Это ограничивает образование ионной связи атомами активных металлов (элементы IA- и IIA-групп, некоторые элементы IIIA-группы и некоторые переходные элементы) и активных неметаллов (галогены, халькогены, азот).
Идеальной ионной связи практически не существует . Даже в тех соединениях, которые обычно относят к ионным , не происходит полного перехода электронов от одного атома к другому ; электроны частично остаются в общем пользовании . Так, связь во фториде лития на 80% ионная , а на 20% - ковалентная . Поэтому правильнее говорить о степени ионности (полярности ) ковалентной химической связи . Считают, что при разности электроотрицательностей элементов 2,1 связь является на 50% ионной . При большей разности соединение можно считать ионным .
Ионной моделью химической связи широко пользуются для описания свойств многих веществ , в первую очередь, соединений щелочных и щелочноземельных металлов с неметаллами . Это обусловлено простотой описания таких соединений : считают, что они построены из несжимаемых заряженных сфер , отвечающих катионам и анионам . При этом ионы стремятся расположиться таким образом, чтобы силы притяжения между ними были максимальными, а силы отталкивания - минимальными.
Ионная связь - прочная химическая связь, образующаяся между атомами с большой разностью (>1,7 по шкале Полинга) электроотрицательностей , при которой общая электронная пара полностью переходит к атому с большей электроотрицательностью. Это притяжение ионов как разноименно заряженных тел. Примером может служить соединение CsF, в котором «степень ионности» составляет 97 %.
Ионная связь - крайний случай поляризации ковалентной полярной связи . Образуется между типичными металлом и неметаллом . При этом электроны у металла полностью переходят к неметаллу . Образуются ионы.
Если химическая связь образуется между атомами, которые имеют очень большую разность электроотрицательностей (ЭО > 1.7 по Полингу) , то общая электронная пара полностью переходит к атому с большей ЭО . Результатом этого является образование соединения противоположно заряженных ионов :
Между образовавшимися ионами возникает электростатическое притяжение , которое называется ионной связью . Вернее, такой взгляд удобен . На деле ионная связь между атомами в чистом виде не реализуется нигде или почти нигде , обычно на деле связь носит частично ионный , и частично ковалентный характер . В то же время связь сложных молекулярных ионов часто может считаться чисто ионной . Важнейшие отличия ионной связи от других типов химической связи заключаются в ненаправленности и ненасыщаемости . Именно поэтому кристаллы, образованные за счёт ионной связи, тяготеют к различным плотнейшим упаковкам соответствующих ионов.
3 Ионные радиусы
В простой электростатической модели ионной связи используется понятие ионных радиусов . Сумма радиусов соседних катиона и аниона должна равняться соответстующему межъядерному расстоянию :
r 0 = r + + r −
При этом остается неясным , где следует провести границу между катионом и анионом . Сегодня известно , что чисто ионной связи не существует , так как всегда имеется некоторое перекрывание электронных облаков . Для вычисления радиусов ионов используют методы исследования , которые позволяют определять электронную плотность между двумя атомами . Межъядерное расстояние делят в точке , где электронная плотность минимальна .
Размеры иона зависят от многих факторов . При постоянном заряде иона с ростом порядкового номера (а, следовательно, заряда ядра ) ионный радиус уменьшается . Это особенно хорошо заметно в ряду лантаноидов , где ионные радиусы монотонно меняются от 117 пм для (La 3+) до 100 пм (Lu 3+) при координационном числе 6 . Этот эффект носит название лантаноидного сжатия .
В группах элементов ионные радиусы в целом увеличиваются с ростом порядкового номера . Однако для d -элементов четвертого и пятого периодов вследствие лантаноидного сжатия может произойти даже уменьшение ионного радиуса (например, от 73 пм у Zr 4+ до 72 пм у Hf 4+ при координационном числе 4).
В периоде происходит заметно уменьшение ионного радиуса , связанное с усилением притяжения электронов к ядру при одновременном росте заряда ядра и заряда самого иона : 116 пм у Na + , 86 пм у Mg 2+ , 68 пм у Al 3+ (координационное число 6). По этой же причине увеличение заряда иона приводит к уменьшению ионного радиуса для одного элемента : Fe 2+ 77 пм, Fe 3+ 63 пм, Fe 6+ 39 пм (координационное число 4).
Сравнение ионных радиусов можно проводить только при одинаковом координационном числе , поскольку оно оказывает влияние на размер иона из-за сил отталкивания между противоионами . Это хорошо видно на примере иона Ag + ; его ионных радиус равен 81, 114 и 129 пм для координационных чисел 2, 4 и 6 , соответственно .
Структура идеального ионного соединения , обусловленная максимальным притяжением между разноименными ионами и минимальным отталкиванием одноименных ионов , во многом определяется соотношением ионных радиусов катионов и анионов . Это можно показать простыми геометрическими построениями.
4 Энергия ионной связи
Энергия связ и для ионного соединения - это энергия , которая выделяется при его образовании из бесконечно удаленных друг от друга газообразных противоионов . Рассмотрение только электростатических сил соответствует около 90% от общей энергии взаимодействия , которая включает также вклад неэлектростатических сил (например, отталкивание электронных оболочек ).
Ионная химическая связь – это связь, которая образуется между атомами химических элементов (положительно или отрицательно заряженные ионы). Так что же такое ионная связь, и как происходит ее образование?
Общая характеристика ионной химической связи
Ионы – это частицы, имеющие заряд, в которые превращаются атомы в процессе отдачи или принятия электронов. Притягиваются они друг к другу довольно сильно, именно по этой причине у веществ с таким типом связи высокие температуры кипения и плавления.
Рис. 1. Ионы.
Ионная связь – химическая связь между разноименными ионами, обусловленная их электростатическим притяжением. Ее можно считать предельным случаем ковалентной связи, когда разность электроотрицательностей связанных атомов так велика, что происходит полное разделение зарядов.
Рис. 2. Ионная химическая связь.
Обычно считается, что связь приобретает электронный характер, если ЭО >1,7.
Различие в значении электроотрицательности тем больше, чем дальше элементы расположены друг от друга в периодической системе по периоду. Эта связь характерна для металлов и неметаллов, особенно расположенных в наиболее удаленных группах, например, I и VII.
Пример: поваренная соль, хлорид натрия NaCl:
Рис. 3. Схема ионной химической связи хлорида натрия.
Ионная связь существует в кристаллах, она обладает прочностью, длиной, но не насыщена и не направлена. Ионная связь характерна только для сложных веществ, таких как соли, щелочи, некоторые оксиды металлов. В газообразном состоянии такие вещества существуют в виде ионных молекул.
Ионная химическая связь образуется между типичными металлами и неметаллами. Электроны в обязательном порядке от металла переходят к неметаллу, образуя ионы. В результате образуется электростатическое притяжение, которое называют ионной связью.
На самом деле полностью ионной связи не встречается. Так называемая ионная связь носит частично ионный, частично ковалентный характер. Однако связь сложных молекулярных ионов может считаться ионной.
Примеры образования ионной связи
Можно привести несколько примеров образования ионной связи:
- взаимодействие кальция и фтора
Ca 0 (атом) -2e=Ca 2 + (ион)
– кальцию легче отдать два электрона, чем получить недостающие.
F 0 (атом)+1е= F- (ион)
– фтору, наоборот, легче принять один электрон, чем отдать семь электронов.
Найдём наименьшее общее кратное между зарядами образующихся ионов. Оно равно 2. Определим число атомов фтора, которые примут два электрона от атома кальция: 2: 1 = 2. 4.
Составим формулу ионной химической связи:
Ca 0 +2F 0 →Ca 2 +F−2.
- взаимодействие натрия и кислорода
Ионы – это атомы, потерявшие или получившие электроны и, как следствие, некоторый заряд. Для начала хотелось бы напомнить, что ионы бывают двух типов: катионы (положительный заряд ядра больше, чем количество электронов, несущих отрицательный заряд) и анионы (заряд ядра меньше количества электронов). Ионная связь образуется в результате взаимодействия двух ионов с разноименными зарядами.
Ионная и ковалентная связь
Данный тип связи является частным случаем ковалентной. Разность электроотрицательностей в данном случае столь велика (более чем 1,7 по Полингу), что общая пара электронов не частично смещается, а полностью переходит к атому с большей электроотрицательностью. Поэтому образование ионной связи является результатом возникновения сильного электростатического взаимодействия между ионами. Важно понимать, что не существует стопроцентно ионной связи. Данный термин применяется, если «ионные признаки» более выражены (т.е. электронная пара сильно смещена к более электроотрицательному атому).
Механизм ионной связи
Атомы, имеющие практически полную или практически пустую валентную (внешнюю) оболочку, наиболее охотно вступают в химические реакции. Чем меньше пустых орбиталей на валентной оболочке, тем выше шанс, что атом получит электроны извне. И наоборот – чем меньше электронов находится на внешней оболочке, тем вероятнее, что атом отдаст электрон.
ЭлектроотрицательностьЭто способность атома притягивать к себе электроны, поэтому атомы с наиболее заполненными валентными оболочками более электроотрицательны.
Типичный металл охотно отдает электроны, тогда как типичный неметалл охотнее их забирает. Поэтому чаще всего ионную связь образуют металлы и неметаллы. Отдельно следует упомянуть другой тип ионной связи – молекулярную . Ее особенность в том, что в роли ионов выступают не отдельные атомы, а целые молекулы.
Схема ионной связи
На рисунке схематически изображено формирование фторида натрия. Натрий имеет низкую электроотрицательность и всего один электрон на валентной оболочке (ВО). Фтор – значительно более высокую электроотрицательность, ему не хватает всего одного электрона для заполнения ВО. Электрон с ВО натрия, переходит на ВО фтора, заполняя орбиталь, в следствии чего оба атома приобретают разноименные заряды и притягиваются друг к другу.
Свойства ионной связи
Ионная связь достаточно сильна – разрушить ее при помощи тепловой энергии крайне сложно, а потому вещества с ионной связью имеют высокую температуру плавления . В то же время радиус взаимодействия ионов достаточно низкий, что обуславливает ломкость подобных соединений. Важнейшими ее свойствами являются ненаправленность и ненасыщаемость . Ненаправленность происходит из формы электрического поля иона, которое представляет собой сферу и способно взаимодействовать с катионами или анионами во всех направлениях. При этом поля двух ионов не компенсируются полностью, вследствие чего они вынуждены притягивать к себе дополнительные ионы, образуя кристалл, – это и есть явление, называемое ненасыщаемостью. В ионных кристаллах нет молекул, а отдельные катионы и анионы окружены множеством ионов противоположного знака, количество которых зависит в основном от положения атомов в пространстве.
Кристаллы поваренной соли (NaCl) – типичный пример ионной связи.
Ионная связь − химическая связь, образованная в результате взаимного электростатического притяжения противоположно заряженных ионов, при котором устойчивое состояние достигается путем полного перехода общей электронной плотности к атому более электроотрицательного элемента.
Чисто ионная связь есть предельный случай ковалентной связи.
На практике полный переход электронов от одного атома к другому атому по связи не реализуется, поскольку каждый элемент имеет большую или меньшую (но не нулевую) ЭО, и любая химическая связь будет в некоторой степени ковалентной.
Такая связь возникает в случае большой разности ЭО атомов, например, между катионами s -металлов первой и второй групп периодической системы и анионами неметаллов VIА и VIIА групп (LiF, NaCl, CsF и др.).
В отличие от ковалентной связи, ионная связь не обладает направленностью . Это объясняется тем, что электрическое поле иона обладает сферической симметрией, т.е. убывает с расстоянием по одному и тому же закону в любом направлении. Поэтому взаимодействие между ионами независимо от направления.
Взаимодействие двух ионов противоположного знака не может привести к полной взаимной компенсации их силовых полей. В силу этого у них сохраняется способность притягивать ионы противоположного знака и по другим направлениям. Следовательно, в отличие от ковалентной связи, ионная связь характеризуется также ненасыщаемостью .
Отсутствие у ионной связи направленности и насыщаемости обуславливает склонность ионных молекул к ассоциации. Все ионные соединения в твердом состоянии имеют ионную кристаллическую решетку, в которой каждый ион окружен несколькими ионами противоположного знака. При этом все связи данного иона с соседними ионами равноценны.
Металлическая связь
Металлы характеризуются рядом особых свойств: электро- и теплопроводностью, характерным металлическим блеском, ковкостью, высокой пластичностью, большой прочностью. Эти специфические свойства металлов можно объяснить особым типом химической связи, получившей название металлической .
Металлическая связь – результат перекрывания делокализованных орбиталей атомов, сближающихся между собой в кристаллической решетке металла.
У большинства металлов на внешнем электронном уровне имеется значительное число вакантных орбиталей и малое число электронов.
Поэтому энергетически более выгодно, чтобы электроны не были локализованы, а принадлежали всему атому металла. В узлах решетки металла находятся положительно заряженные ионы, которые погружены в электронный «газ», распределенный по всему металлу:
Me ↔ Me n + + n .
Между положительно заряженными ионами металла (Me n +) и нелокализованными электронами (n ) существует электростатическое взаимодействие, обеспечивающее устойчивость вещества. Энергия этого взаимодействия является промежуточной между энергиями ковалентных и молекулярных кристаллов. Поэтому элементы с чисто металлической связью (s -, и p -элементы) характеризуются относительно высокими температурами плавления и твердостью.
Наличие электронов, которые свободно могут перемещаться по объему кристалла, и обеспечивают специфические свойства ме-
Водородная связь
Водородная связь – особый тип межмолекулярного взаимодействия. Атомы водорода, которые ковалентно связаны с атомом элемента, имеющего высокое значение электроотрицательности (чаще всего F, O, N, а также Cl, S и C), несут на себе относительно высокий эффективный заряд. Вследствие этого такие атомы водорода могут электростатически взаимодействовать с атомами указанных элементов.
Так, атом Н d + одной молекулы воды ориентируется и соответственно взаимодействует (что показано тремя точками) с атомом О d - другой молекулы воды:
Связи, образуемые атомом Н, находящимся между двумя атомами электроотрицательных элементов, называются водородными:
d- d+ d-
А − Н ××× В
Энергия водородной связи значительно меньше энергии обычной ковалентной связи (150–400 кДж/моль), однако этой энергии достаточно, чтобы вызвать агрегацию молекул соответствующих соединений в жидком состоянии, например, в жидком фтороводороде НF (рис. 2.14). Для соединений фтора она достигает порядка 40 кДж/моль.
Рис. 2.14. Агрегация молекул НF за счет водородных связей
Длина водородной связи также меньше длины ковалентной связи. Так, в полимере (HF) n длина связи F−H=0,092 нм, а связи F∙∙∙H= 0,14 нм. У воды длина связи O−H=0,096 нм, а связи O∙∙∙H=0,177нм.
Образование межмолекулярных водородных связей приводит к существенному изменению свойств веществ: повышению вязкости, диэлектрической постоянной, температур кипения и плавления.
Химическая связь возникает благодаря взаимодействию электрических полей создаваемых электронами и ядрами атомов, т.е. химическая связь имеет электрическую природу.
Под химической связью понимают результат взаимодействия 2х или более атомов приводящий к образованию устойчивой многоатомной системы. Условием образования химической связи является уменьшение энергии взаимодействующих атомов, т.е. молекулярное состояние вещества энергетически более выгодно, чем атомное. При образовании химической связи атомы стремятся получить завершенную электронную оболочку.
Различают: ковалентную, ионную, металлическую, водородную и межмолекулярную.
Ковалентная связь – наиболее общий вид химической связи, возникающий за счет обобществления электронной пары посредством обменного механизма – , когда каждый из взаимодействующих атомов поставляет по одному электрону, или по донорно-акцепторному механизму , если электронная пара передается в общее пользование одним атомом (донором – N, O, Cl, F) другому атому (акцептору – атомы d-элементов).
Характеристики хим связи.
1 – кратность связей – между 2мя атомами возможна только 1 сигма-связь, но наряду с ней между теми же атомами могут быть пи и дельта-связь, что приводит к образованию кратных связей. Кратность определяется числом общих электронных пар.
2 – длина связи – межъядерное расстояние в молекуле, чем больше кратность, тем меньше ее длина.
3 – прочность связи – это количество энергии необходимое для ее разрыва
4 – насыщаемость ковалентной связи проявляется в том, что одна атомная орбиталь может принимать участие в образовании только одной к.с. Это свойство определяет стехиометрию молекулярных соединений.
5 – направленность к.с. в зависимости от того, какую форму и какое направление имеют электронные облака в пространстве при их взаимном перекрывании могут образовываться соединения с линейной и угловой формой молекул.
Ионная связь – образуется между атомами которые сильно отличаются по электроотрицательности. Это соединения главных подгрупп 1 и 2 групп с элементами главных подгрупп 6 и 7 групп. Ионной называют химическую связь, которая осуществляется в результате взаимного электростатического притяжения противоположно заряженных ионов.
Механизм образования ионной связи: а) образование ионов взаимодействующих атомов; б) образование молекулы за счет притяжения ионов.
Ненаправленность и ненасыщенность ионной связи
Силовые поля ионов равномерно распределяются во всех направлениях поэтому каждый ион может притягивать к себе ионы противоположного знака в любом направлении. В этом заключается ненаправленность ионной связи. Взаимодействие 2х ионов противоположного знака не приводит к полной взаимной компенсации их силовых полей. Поэтому у них сохраняется способность притягивать ионы и по другим направлениям, т.е. ионная связь характеризуется ненасыщенностью. Поэтому каждый ион в ионном соединении притягивает такое число ионов противоположного знака, чтобы образовалась кристаллическая решетка ионного типа. В ионном кристалле нет молекул. Каждый ион окружен определенным числом ионов другого знака (координационное число иона).
Металлическая связь – хим. Связь в металлах. У металлов имеется избыток валентных орбиталей и недостаток электронов. При сближении атомов их валентные орбитали перекрываются благодаря чему электроны свободно перемещаются из одной орбитали в другую, осуществляется связь между всеми атомами металла. Связь которую осуществляют относительно свободные электроны между ионами металла в кристаллической решетке называется металлической связью. Связь сильно делокализована и не обладает направленностью и насыщенностью, т.к. валентные электроны равномерно распределены по кристаллу. Наличие свободных электронов обусловливает существование общих свойств металлов: непрозрачность, металлический блеск, высокая электро и теплопроводность, ковкость и пластичность.
Водородная связь – связь между атомом Н и сильноотрицательным элементом (F, Cl, N, O, S). Водородные связи могут быть внутри- и межмолекулярными. ВС слабее ковалентной связи. Возникновение ВС объясняется действием электростатических сил. Атом Н обладает маленьким радиусом и при смещении или отдаче единственного электрона Н приобретает сильный положительный заряд, который действует на электроотрицательность.
