Химическая связь и строение молекул

Химическая связь возникает благодаря взаимодействию электрических полей, создаваемых электронами и ядрами атомов. Химическая связь, представляющая собой совокупность сил, которые связывают и удерживают атомы или ионы вместе в виде устойчивых структур (молекул, ионных и атомных кристаллов и др.), имеет электростатическую природу.

Важной характеристикой химической связи является ее энергия. Это мера прочности связи. Ее величина определяется выделенной или поглощенной энергией при разрушении или образовании связи.
Например, образование связей в 1 моль водорода сопровождается выделением 432, 1 кДж теплоты. Значит энергия связи Н-Н составляет 432,1 кДж/моль.
Н –Н Е=432,1кДж/моль

Также важна длина связи - расстояние между центрами ядер атома в молекуле или кристалле.
Например:
Длина С-С связи в молекуле этана равна 0,154 нм
Длина С=С связи в молекуле этена равна 0,134 нм
Длина С С связи в молекуле этина равна 0,120 нм
Чем выше энергия связи и чем меньше её длина, тем прочнее химическая связь.

Различают 2 механизма образования ковалентной связи:
1-Обменный, когда каждый атом отдаёт неспаренный электрон для образования общей электронной пары. 2- Часто число образуемых элементом связей превосходит число неспаренных электронов в его атомах. Это объясняется существованием особого донорно-акцепторного механизма образования ковалентной связи. Он заключается в том, что ковалентная связь образуется в результате оттягивания уже существующей электронной пары донора (поставщика неподеленных электронных пар) на свободную орбиталь акцептора.

В зависимости от числа участвующих в гибридизации р-орбиталей гибридные орбитали имеют разную ориентацию в пространстве. У атома с одним s-электроном и одним р-электроном возникают две гибридные орбитали, расположенные под углом 180°.
Направленность химических связей

Гибридизация одной s-орбитали и двух р-орбиталей (sp2-гибридизация) образует три гибридные орбитали, расположенные в плоскости под углом 120°.

Гибридизация одной s- и трех р-орбиталей (sр3-гибридизация) приводит к образованию четырех гибридных орбиталей. Их расположение в пространстве имеет форму тетраэдра, валентный угол составляет 109°28'.

Ионной называется химическая связь между заряженными частицами - ионами, в которые превращаются атомы в результате отдачи или присоединения электронов. Вещества, образованные из ионов, называются ионными.
Например, хлорид натрия Na+Cl-
Чем больше дипольный момент - тем выше степень ионности связи и реакционная способность молекул. Чем больше разность электроотрицательностей атомов – тем в большей мере электронное облако смещено к атому с большей электроотрицательностью и тем выше степень ионности связи.
Ионная связь образуется только между атомами таких элементов, которые значительно отличаются по своей электроотрицательности (разность >1,7). Однако полного перехода электронов от одних атомов к другим не происходит. Следовательно, полностью ионных соединений не существует. В отличие от ковалентной связи ионная связь не обладает направленностью и насыщенностью.

Водородная связь может быть и внутримолекулярной, особенно часто она проявляется в органических веществах.
В частности у белков вторичная структура поддерживается водородными связями.

Металлическая химическая связь образуется в металлах и сплавах.
Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов. Они слабо связаны с ядром и могут легко отрываться от него. В результате в узлах кристаллической решетки появляются положительно заряженные ионы, а между ними свободно перемещаются электроны – образуется так называемый “электронный газ”. Вид связи между положительными ионами, осуществляемой за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу, называется металлической.

Соотношение между различными типами химической связи

Кристаллические решётки

Сульфат никеля

Кристаллические структуры довольно часто встречаются природе.
Многие вещества образуют кристаллогидраты, включающие в свою структуру молекулы воды - кристаллизационную воду.
Кристаллогидраты часто бывают красиво окрашены.
Медный купорос

Природный кристалл каменной соли

Если присмотреться, то можно разглядеть кубическое строение кристаллов поваренной соли

Типы кристаллических решёток
Атомная
Ионная
Молекулярная
Металлическая

Ионной кристаллической решёткой называется решётка, в узлах которой расположены ионы, соединённые между собой ионной связью. Такие соединения имеют большую твёрдость, высокую температуру плавления, малую летучесть и растворяются только в полярных растворителях, например в воде.
В кристалле поваренной соли около каждого иона хлора расположено 6 ионов натрия (и наоборот). Координационное число иона равно 6.

Атомной кристаллической решёткой называется решётка, в узлах которой расположены атомы, соединённые между собой прочными ковалентными связями. Такие соединения имеют большую прочность и тугоплавкость.
Например, в кристалле алмаза атомы углерода соединены в форме тетраэдра (каркасная структура). (Рис.а)
А у кристаллической решётки графита –слоистое строение (б)

Молекулярной кристаллической решёткой называется решётка, в узлах которой расположены молекулы, удерживаемые силами межмолекулярного взаимодействия . Такие соединения легко плавятся. При н.у. часто являются газами или подвижными жидкостями
Наличие водородных связей в воде приводит к образованию причудливой формы снежинок.