Приветствую вас, друзья!
В предыдущих статьях мы разобрали строение атома. Настало время повышать ставки и мы беремся за их соединения - молекулы!
Итак, молекулы образуются в результате химической реакции между атомами. Эти химические реакции заставляют атомы склеиваться с помощью химических связей. Химические реакции происходят потому, что атомы хотят завершить (заполнить) свою валентную оболочку. По этой причине они образуют химические связи, когда сталкиваются друг с другом с достаточной силой.
А те элементы, у которых внешний энергетический уровень имеет максимальное количество электронов, такого свойства не имеют, они инертны. Вспомним пример с благородными газами.
Различают четыре основных вида химической связи: ковалентную, ионную (или связь в кристаллической решетке), металлическую и водородную. Первые два вида – самые сильные.
Ковалентная связь — это химическая связь, образованная общими (связывающими) электронными парами. Её называют локализованной, так как общая пара электронов размещается (локализуется) между двумя ядрами. Это заставляет положительно заряженные ядра притягиваться к паре электронов, расположенной между ядрами. Такая связь возникает между атомами с одинаковыми или близкими значениями электроотрицательности. Как правило, это атомы неметаллов. Например, вещество, без которого мы (в большинстве своем) буквально не можем прожить более 5 минут – кислород, образован двумя атомами этого элемента. Эта связь двойная, так как у каждого атома имеются два неспаренных электрона на внешнем энергетическом уровне. Силы двух атомов кислорода равны, поэтому такая связь будет ковалентной неполярной. Такая же ситуация у лучшего друга кислорода – водорода. Важнейшей характеристикой атома при образовании химической связи является его электроотрицательность (ЭО) — способность притягивать электроны от других атомов. Чем больше электроотрицательность атома, тем сильнее он оттягивает на себя общие электроны. Из выше упомянутых элементов кислород является более электроотрицательным (спойлер: кислород вообще второй из самых электроотрицательных элементов после фтора), поэтому при образовании ими воды, кислород общие электроны больше тянет на себя (каков хулиган, а!) и такая связь будет уже ковалентной полярной.
Ионная связь образуется между атомами с большой разностью электроотрицательностей, при которой общая электронная пара переходит преимущественно к атому с большей электроотрицательностью и пара противоположено заряженных атомов (+ катионы, - анионы) притягиваются.
Она встречается во всех соединениях, где есть непосредственный контакт между металлом и неметаллом.
Соответственно, в качестве примера хлорид натрия (ака поваренная соль), без которого наша жизнь будет пресной. Драматизирую? Ну, ладно, пища уж точно будет пресной... без этих белых кристалликов.
Каждый кристалл соли это скопление огромного количества ионов, связанных электростатическим притяжением в трехмерной кристаллической решетке. Отсюда и второе название ионной химической связи - связь в кристаллической решетке.
Также такая связь может проявляться и в сложных соединениях. Например, сульфат магния. Кстати, шпаргалкой может послужить таблица растворимости, ведь все соли имеют ионные связи.
Металлическая связь — химическая связь между атомами в металлическом кристалле, возникающая за счёт перекрытия (обобществления) их валентных электронов. Она описывается многими физическими свойствами металлов, такими как прочность, пластичность, теплопроводность, удельное электрическое сопротивление и проводимость, непрозрачность и блеск.
В качестве примера металлической химической связи могут выступать любые металлы: натрий, железо, цинк и так далее, а также сплавы: сталь, латунь и т д.
Водородная связь — форма ассоциации между электроотрицательным атомом и атомом водорода, связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом. В качестве электроотрицательных атомов могут выступать азот, кислород или фтор. Водородные связи могут быть межмолекулярными или внутримолекулярными.
Водородные связи характерны для таких веществ, как вода, аммиак, фтороводород. В водных растворах аммиака эти молекулы образуют водородные связи не только между собой, но и с молекулами воды. Благодаря водородным связям аммиак имеет фантастическую растворимость: в 1 литре воды может растворяться 750 литров газообразного аммиака!
Из слабых типов химических связей заслуживают внимания Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Это химические связи между неполярными молекулами, в которых внешние оболочки всех атомов заполнены.
Эти взаимодействия представляют собой тип нековалентной связи.
В чем ее суть? Объясняю. Электроны не имеют предписания равномерно распределяться по своим уровням и орбиталям. Поэтому возникают участки молекул, где электроны решили «затусить» или даже устроить коллективные погуляшки. Электроны на эту тусу могут произвольно приходить и уходить как с неофициального мероприятия. Соответственно, возникают блуждающие и нестабильные положительно и отрицательно заряженные участки, которые позволяют атомам и молекулам держаться вместе. Это слабые силы притяжения между двумя атомами в двух неполярных молекулах и возникают при достаточно близком нахождении атомов и молекул. Но по закону перехода количества в качество при большом скоплении таких молекул, они становятся заметной силой.
Наблюдая за гекконами группа исследователей из Массачусетского университета в составе специалистов по материалам и биологов разработали композитную ткань с использованием полидиметилсилоксана. Образец нового материала при площади контакта с ровной поверхностью всего в 100 квадратных сантиметров выдержал усилие в 300 килограммов.
Итак, мы изучили типы химических связей и они нам пригодятся для дальнейшего изучения свойств веществ.
К примеру, пространственная структура молекул определяется направленностью ковалентной связи.
Если в молекуле имеется больше одной ковалентной связи, то двухэлектронные облака связей вступают во взаимодействие друг с другом. Представляя собой заряды одного знака, они отталкиваются друг от друга, стремясь занять такое положение в пространстве, когда их взаимное отталкивание будет минимальным.
В зависимости от числа взаимодействующих облаков (связей) наиболее выгодным расположением будет:
для 2 облаков — линейное расположение;
для 3 облаков — плоский треугольник;
для 4 облаков — тетраэдр;
для 5 облаков — тригональная бипирамида;
для 6 облаков — октаэдр.
Это наиболее распространённые геометрические формы многоатомных молекул. От пространственной структуры молекул зависит распознавание сигналов между собой. И если их трехмерные структуры комплементарны, они могут образовывать временные связи за счет слабых взаимодействий.
Принцип комплементарности, например, используется в синтезе ДНК.
Палец вверх, если статья понравилась. Если вы с нами, подпишитесь, впереди много интересного!