Классификация материалов

В настоящее время все современные материалы принято соответствующим образом классифицировать.

Наибольшее значение в технике имеют классификации по функциональным и структурным признакам материалов.

Главным критерием классификации материалов по структурным признакам является агрегатное состояние, в зависимости от которого их подразделяют на следующие типы: твердые материалы, жидкости, газы, плазма.

Твердые материалы в свою очередь делят на кристаллические и некристаллические.

Кристаллические материалы можно разделить по типу связи между частицами: атомные (ковалентные), ионные, металлические, молекулярные (Рис.2.1.).

Типы связей между атомами (молекулами) в кристаллах

Атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него электронов (отрицательно заряженных). Атом в стационарном состоянии электрически нейтрален. Различают внешние (валентные) электроны, связь которых с ядром незначительна и внутренние – прочно связанные с ядром.

Формирование кристаллической решетки происходит следующим образом. При переходе из жидкого в кристаллическое состояние расстояние между атомами сокращается, а силы взаимодействия между ними возрастают.

Связь между атомами осуществляется электростатическими силами, т.е. по природе связь едина – имеет электрическую природу, но проявляется по-разному в разных кристаллах. Различают следующие типы связей: ионную, ковалентную, полярную, металлическую.

Ковалентный вид связи

Ковалентная связь образуется за счёт общих электронных пар, возникающих в оболочках связываемых атомов.

Она может быть образована атомами одного итого же элемента и тогда она неполярная; например, такая ковалентная связь существует в молекулах одноэлементных газов H 2 , O 2 , N 2 , Cl 2 и др.

Ковалентная связь может быть образована атомами разных элементов, сходных по химическому характеру, и тогда она полярная; например, такая ковалентная связь существует в молекулах H 2 O, NF 3 , CO 2 .

Ковалентная связь образуется между атомами элементов, обладающих электроотрицательным характером.

При этом типе связи осуществляется обобществление свободных валентных электронов соседних атомов. Стремясь приобрести устойчивую валентную оболочку, состоящую из 8 электронов, атомы объединяются в молекулы, образуя одну или несколько пар электронов, которые становятся общими для соединяющихся атомов, т.е. одновременно входят в состав электронных оболочек двух атомов.

Материалы с ковалентной связью очень хрупки, но имеют высокую твердость (алмаз). Это, как правило, диэлектрики или полупроводники (германий, кремни) т.к. электрические заряды связаны между собой, а свободные электроны отсутствуют.

Ковалентной связью соединены атомы в молекулах простых газов (Н 2 , Cl 2 и др.)

Единственным известным человеку веществом с примером ковалентной связи между металлом и углеродом является цианокобаламин, известный как витамин B12.

Кристаллы с ионной связью (NaCl)

Ионная связь - это химическая связь, образованная за счет электростатического притяжения между катионами и анионами .

Образование таких кристаллов образуется переходом электронов атомов одного типа к атомам другого от Na к Cl. Атом, потерявший электрон, становится положительно заряженным ионом, присоединивший электрон – отрицательным ионом. Сближение ионов разных знаков происходит до тех пор пока силы отталкивания ядра и электронных оболочек не уравновесят силы притяжения. Ионную связь имеют большинство минеральных диэлектриков и некоторые органические материалы.(NaCl, CsCl, CaF2.)

Твердые тела с ионной связью в большинстве случаев механически прочны, температуростойчивы, но часто хрупки. Материалы с этим типом связи в качестве конструкционных не применяются

Металлический тип связи

В металлах связь между отдельными атомами образуется за счет взаимодействия положительно заряженных ядер и коллективизированных электронов, которые свободно движутся в межатомных пространствах. Эти электроны играют роль цемента, удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решётка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть. Такая связь называется металлической.

Наличие свободных электронов приводит к высокой электропроводности и теплопроводности металла, а также является причиной блеска металлов. Ковкость металлов объясняется перемещением и скольжением отдельных слоев атомов.

Практически в любом материале имеет место не один, а несколько типов связей. Свойства же материалов определяются преобладающими видами химических связей атомов и молекул вещества материала.

Из атомно-кристаллических материалов, в структуре которых преобладают ковалентные связи , наибольшее значение в технике имеют полиморфные модификации углерода и полупроводниковые материалы на основе элементов IV группы периодической системы элементов. Типичными представителями первых являются алмаз и графит - наиболее распространенная в земной коре и устойчивая модификация углерода со слоистой структурой. Полупроводниковые кристаллические германий и кремний являются основными материалами полупроводниковой электроники.

Большой интерес представляют некоторые соединения с ковалентной связью, такие как Fe 3 C, SiO, AlN - эти соединения играют большую роль в технических сплавах.

В обширную совокупность ионно-кристаллических материалов, имеющих кристаллическую структуру с ионным типом связей, входят оксиды металлов (соединения металлов с кислородом), которые являются составляющими важнейших руд, технологических присадок при плавке металлов, а также химические соединения металлов и неметаллов (бором, углеродом, азотом), которые используются как компоненты сплавов.

Металлический тип связи характерен для более чем 80 элементов таблицы Менделеева.

К кристаллическим твердым телам можно отнести и материалы со структурой молекулярных кристаллов , которая характерна для многих полимерных материалов, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Это биополимеры - высокомолекулярные природные соединения и их производные (в том числе древесина); синтетические полимеры, получаемые из простых органических соединений, молекулы которых имеют неорганические главные цепи и не содержат органических боковых групп. К числу неорганических полимеров относят силикаты и вяжущие. Природные силикаты - класс важнейших породообразующих минералов, составляющих около 80% массы земной коры. К неорганическим вяжущим материалам относятся цемент, гипс, известь и др. Молекулярные кристаллы инертных газов - элементов VIII группы периодической системы - испаряются при низких температурах, не переходя в жидкое состояние. Они находят применение в криоэлектронике, занимающейся созданием электронных приборов на основе явлений, которые имеют место в твердых телах при криогенных температурах.

Рис. 1.2. Расположение атомов в кристаллическом (а) и аморфном (б) веществе

Второй класс материалов составляют некристаллические твердые материалы . Ихразделяют по признаку упорядоченности и стабильности структуры на аморфные, стеклообразные и нестеклообразныые в полуразупорядоченном состоянии.

Типичными представителями аморфных материалов являются аморфные полупроводники, аморфные металлы и сплавы.

В группу стеклообразных материалов входят: ряд органических полимеров (полиметилакрилат при температурах ниже 105 °С, поливинилхлорид -ниже 82 °С и другие); многие неорганические материалы - неорганическое стекло на основе оксидов кремния, бора, алюминия, фосфора и т. д.; многие материалы для каменного литья - базальты и диабазы со стеклообразной структурой, металлургические шлаки, природные карбонаты с островной и цепочечной структурой (доломит, мергель, мрамор и др).

В нестеклообразном полуразупорядоченном состоянии находятся студни (структурированные системы полимер - растворитель, образующиеся при затвердевании растворов полимеров или набухании твердых полимеров), многие синтетические полимеры в высокоэластическом состоянии, каучуки и резины, большинство материалов на основе биополимеров, в том числе текстильные и кожевенные материалы, а также органические вяжущие материалы - битумы, дегти, пеки и др.

По функциональному назначению технические материалы делят на следующие группы.

Конструкционные материалы - твердые материалы, предназначенные для изготовления изделий, подвергаемых механическому воздействию. Они должны обладать комплексом механических свойств, обеспечивающих требуемые работоспособность и ресурс изделий при воздействии рабочей среды, температуры и других факторов.

Рис. 1.1. Классификация твердых кристаллических материалов по структурному признаку

Одновременно к ним предъявляют технологические требования, определяющие наименьшую трудоемкость изготовления деталей и конструкций, и экономические, касающиеся стоимости и доступности материала, что очень важно в условиях массового производства. К конструкционным материалам можно отнести металлы, силикаты и керамику, полимеры, резину, древесину, многие композиционные материалы.

Электротехнические материалы характеризуются особыми электрическими и магнитными свойствами и предназначены для изготовления изделий, применяемых для производства, передачи, преобразования и потребления электроэнергии. К ним относятся магнитные материалы, проводники, полупроводники, а также диэлектрики в твердой жидкой и газообразной фазах.

Триботехнические материалы предназначены для применения в узлах трения с целью регулирования параметров трения и изнашивания для обеспечения заданных работоспособности и ресурса этих узлов. Основными видами та­ких материалов являются смазочные, антифрикционные и фрикционные. К первым относят смазки в твердой (графит, тальк, дисульфид молибдена и др., жидкой (смазочные масла) и газообразной фазах (воздух, пары углеводородов и другие газы). В совокупность антифрикционных материалов входят сплавы цветных металлов (баббиты, бронзы и др.), серый чугун, пластмассы (текстолит, материалы на основе фторопластов и др.), металлокерамические композиционные материалы (бронзографит, железографит и др.), некоторые виды древесины и древесно-слоистых пластиков, резины, многие композиты. Фрикционные материалы имеют большой коэффициент трения и высокое сопротивление изнашиванию. К ним относятся некоторые виды пластмасс, чугунов, металлокерамики и других композиционных материалов.

Инструментальные материалы отличаются высокими показателями твердости, износоустойчивости и прочности, они предназначены для изготовления режущего, мерительного, слесарно-монтажного и другого инструмента. Сюда относятся такие материалы, как инструментальная сталь и твердые сплавы, алмаз и некоторые виды керамических материалов, многие композиционные материалы.

Рабочие тела - газообразные и жидкие материалы, с помощью которых энергию преобразуют в механическую работу, холод, теплоту. Рабочими телами служат водяной пар в паровых машинах и турбинах; аммиак, углекислота, фреон и другие хладагенты в холодильных машинах; масла в гидроприводе; воздух в пневматических двигателях; газообразные продукты сгорания органического топлива в газовых турбинах, двигателях внутреннего сгорания.

Топливо - горючие материалы, основной частью которых является углерод, применяемые с целью получения при их сжигании тепловой энергии. По происхождению топливо делят на природное (нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, торф, древесина) и искусственное (кокс, моторные топлива, генераторные газы и др.); по типу машин, в которых оно сжигается, - на ракетное, моторное, ядерное, турбинное и т. д.

В одноатомном состоянии при обычных условиях находятся только благородные газы. Остальные же элементы не суще­ствуют в виде индивидуальном, так как имеют возможность взаимодействовать между собой или с другими атомами. При этом образуются более сложные части­цы.

Вконтакте

Одноклассники

Совокупность атомов может образовать следующие частицы:

• молекулы;
• молекулярные ионы;
• свободные радикалы.

Типы химического взаимодействия

Взаимодействие между атомами называют химической связью. Основой являются электростатические силы (силы взаимодействия электричес­ких зарядов), которые действуют между атомами, носителями этих сил являются ядро атома и электроны.

Электронам, находящимся на внешнем энергетическом уровне, отведена основная роль в образовании химических связей между атомами. Они наиболее удалены от ядра, а, следовательно, связаны с ним наименее прочно. Их называют валентными электронами.

Частицы взаимодействуют между собой различными способами, что приводит к образованию молекул (и веществ) разного строения. Различают следующие типы химической связи:

• ионная;
• ковалентная;
• вандерваальсова;
• металлическая.

Говоря о различных типах химического взаимодействия между атомами, стоит помнить о том, что все типы одинаково основаны на электростатическом взаимодействии частиц.

Металлическая химическая связь

Как видно из положения металлов в таблице химических элементов, они, в большинстве своём, обладают небольшим числом валентных электронов. Электроны связаны со своими ядрами достаточно слабо и легко отрываются от них. В результате этого образуются положительно заряженные ионы металла и свобод­ные электроны.

Эти электроны, свободно перемещающиеся в кристаллической решётке, называют «электронным газом».

На рисунке схематично изображено строение вещества металла.

То есть в объёме металла атомы постоянно превращаются в ионы (их называют атом-ионами) и наоборот ионы постоянно принимают электроны из «электронного газа».

Механизм образования металлической связи можно записать в виде формулы:

атом M 0 - ne ↔ ион M n+

Таким образом, металлы представляют собой положительные ионы, которые расположены в кристаллической решётке в определённых положениях, и электроны, которые могут достаточно свободно перемещаться между атом-ионами.

Кристаллическая решётка представляет «скелет» , остов вещества, а электроны перемещаются между её узлами. Формы кристаллических решёток металлов могут быть различными, например:

• объёмно-центрическая кубическая решётка характерна для щелочных металлов;
• гранецентрическую кубическую решётку имеют, например, цинк, алюминий, медь, другие переходные элементы;
• гексагональная форма типична для щёлочноземельных элементов (исключением является барий);
• тетрагональная структура - у индия;
• ромбоэдрическая - у ртути.

Пример кристаллической решётки металла показан на картинке ниже .

Отличия от других видов

Отличается металлическая связь от ковалентной по прочности. Энергия металлических связей меньше , чем ковалентных в 3−4 раза и меньше энергии ионной связи.

В случае с металлической связью, нельзя говорить и о направленности, ковалентная связь строго направлена в пространстве.

Такая характеристика, как насыщаемость также не характерна для взаимодействия между атомами металлов. В то время как ковалентные связи являются насыщаемыми, то есть количество атомов, с которыми может произойти взаимодействие, строго ограничено количеством валентных электронов.

Схема связи и примеры

Процесс, происходящий в металле можно записать с помощью формулы:

К - е <-> К +

Al - 3e <-> Al 3+

Na - e <-> Na +

Zn - 2e <-> Zn 2+

Fe - 3e <-> Fe 3+

Если описывать более подробно, металлическую связь, как образуется этот тип связи, необходимо рассматривать строение внешних энергетических уровней элемента.

В качестве примера можно рассмотреть натрий. Имеющийся на внешнем уровне единственный валентный 3s электрон может свободно перемещаться по свободным орбиталям третьего энергетического уровня. При сближении атомов натрия, происходит перекрывание орбиталей. Теперь уже все электроны могут перемещаться между атом-ионами в пределах всех пререкрывшихся орбиталей.

У цинка на 2 валентных электрона приходится целых 15 свободных орбиталей на четвёртом энергетическом уровне. При взаимодействии атомов эти свободные орбитали будут перекрываться, как бы обобществляя электроны, которые по ним перемещаются.

У атомов хрома валентных электронов 6 и все они будут участвовать в образовании электронного газа и связывать атом-ионы.

Особый вид взаимодействия, который характерен для атомов металлов, определяет ряд объединяющих их свойств и отличающих металлы от других веществ. Примерами таких свойств являются высокие температуры плавления, высокие температуры кипе­ния, ковкость, способность отражать свет, высокая электро­проводность и теплопроводность.

Высокие температуры плавления и кипения объясняются тем, что катионы металла прочно связаны электронным газом. При этом прослеживается закономерность, что прочность связи увеличивается с увеличением количества валентных электронов. Например, рубидий и калий являются легкоплавкими веществами (температуры плавления 39 и 63 градуса Цельсия, соответственно), по сравнению с, например, хромом (1615 градусов Цельсия).

Равномерностью распределения валентных электронов по кристаллу объясняется, например, такое свойство металлов, как пластичность - смещение ионов и атомов в любых направле­ниях без разрушения взаимодействия между ними.

Свободное перемещение электронов по атомным орбиталям объясняет и электропроводность металлов. Электронный газ при наложении разности потенциалов переходит из хаотического движения к движению направленному.

В промышленности часто используют не чистые металлы, а их смеси, называемые сплавами. В сплаве свойства одного компонента обычно удачно дополняют свойства другого.

Металлический тип взаимодействия характерен как для чистых ме­таллов, так и для их смесей - спла­вов, находящихся в твёрдом и жидком состояниях. Однако, если металл перевести в газообразное состояние, то связь между его атомами будет ковалентная. Металл в виде пара состоит и отдельных молекул (одно- или двухатомных).

Темы кодификатора ЕГЭ: Ковалентная химическая связь, ее разновидности и механизмы образования. Характеристики ковалентной связи (полярность и энергия связи). Ионная связь. Металлическая связь. Водородная связь

Внутримолекулярные химические связи

Сначала рассмотрим связи, которые возникают между частицами внутри молекул. Такие связи называют внутримолекулярными .

Химическая связь между атомами химических элементов имеет электростатическую природу и образуется за счет взаимодействия внешних (валентных) электронов , в большей или меньшей степени удерживаемых положительно заряженными ядрами связываемых атомов.

Ключевое понятие здесь – ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ . Именно она определяет тип химической связи между атомами и свойства этой связи.

– это способность атома притягивать (удерживать) внешние (валентные) электроны . Электроотрицательность определяется степенью притяжения внешних электронов к ядру и зависит, преимущественно, от радиуса атома и заряда ядра.

Электроотрицательность сложно определить однозначно. Л.Полинг составил таблицу относительных электроотрицательностей (на основе энергий связей двухатомных молекул). Наиболее электроотрицательный элемент – фтор со значением 4 .

Важно отметить, что в различных источниках можно встретить разные шкалы и таблицы значений электроотрицательности. Этого не стоит пугаться, поскольку при образовании химической связи играет роль атомов, а она примерно одинакова в любой системе.

Если один из атомов в химической связи А:В сильнее притягивает электроны, то электронная пара смещается к нему. Чем больше разность электроотрицательностей атомов, тем сильнее смещается электронная пара.

Если значения электроотрицательностей взаимодействующих атомов равны или примерно равны: ЭО(А)≈ЭО(В) , то общая электронная пара не смещается ни к одному из атомов: А: В . Такая связь называется ковалентной неполярной.

Если электроотрицательности взаимодействующих атомов отличаются, но не сильно (разница электроотрицательностей примерно от 0,4 до 2: 0,4<ΔЭО<2 ), то электронная пара смещается к одному из атомов. Такая связь называется ковалентная полярная .

Если электроотрицательности взаимодействующих атомов отличаются существенно (разница электроотрицательностей больше 2: ΔЭО>2 ), то один из электронов практически полностью переходит к другому атому, с образованием ионов . Такая связь называется ионная .

Основные типы химических связей — ковалентная , ионная и металлическая связи. Рассмотрим их подробнее.

Ковалентная химическая связь

Ковалентная связь – этохимическая связь, образованная за счет образования общей электронной пары А:В . При этом у двух атомов перекрываются атомные орбитали. Ковалентная связь образуется при взаимодействии атомов с небольшой разницей электроотрицательностей (как правило, между двумя неметаллами ) или атомов одного элемента.

Основные свойства ковалентных связей

• направленность ,
• насыщаемость ,
• полярность ,
• поляризуемость .

Эти свойства связи влияют на химические и физические свойства веществ.

Направленность связи характеризует химическое строение и форму веществ. Углы между двумя связями называются валентными. Например, в молекуле воды валентный угол H-O-H равен 104,45 о, поэтому молекула воды — полярная, а в молекуле метана валентный угол Н-С-Н 108 о 28′.

Насыщаемость — это спосбность атомов образовывать ограниченное число ковалентных химических связей. Количество связей, которые способен образовывать атом, называется .

Полярность связи возникает из-за неравномерного распределения электронной плотности между двумя атомами с различной электроотрицательностью. Ковалентные связи делят на полярные и неполярные.

Поляризуемость связи — это способность электронов связи смещаться под действием внешнего электрического поля (в частности, электрического поля другой частицы). Поляризуемость зависит от подвижности электронов. Чем дальше электрон находится от ядра, тем он более подвижен, соответственно и молекула более поляризуема.

Ковалентная неполярная химическая связь

Существует 2 вида ковалентного связывания – ПОЛЯРНЫЙ и НЕПОЛЯРНЫЙ .

Пример . Рассмотрим строение молекулы водорода H 2 . Каждый атом водорода на внешнем энергетическом уровне несет 1 неспаренный электрон. Для отображения атома используем структуру Льюиса – это схема строения внешнего энергетического уровня атома, когда электроны обозначаются точками. Модели точечных структур Люьиса неплохо помогают при работе с элементами второго периода.

H . + . H = H:H

Таким образом, в молекуле водорода одна общая электронная пара и одна химическая связь H–H. Эта электронная пара не смещается ни к одному из атомов водорода, т.к. электроотрицательность у атомов водорода одинаковая. Такая связь называется ковалентной неполярной .

Ковалентная неполярная (симметричная) связь – это ковалентная связь, образованная атомами с равной элетроотрицательностью (как правило, одинаковыми неметаллами) и, следовательно, с равномерным распределением электронной плотности между ядрами атомов.

Дипольный момент неполярных связей равен 0.

Примеры : H 2 (H-H), O 2 (O=O), S 8 .

Ковалентная полярная химическая связь

Ковалентная полярная связь – это ковалентная связь, которая возникает между атомами с разной электроотрицательностью (как правило, разными неметаллами ) и характеризуется смещением общей электронной пары к более электроотрицательному атому (поляризацией).

Электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому – следовательно, на нем возникает частичный отрицательный заряд (δ-), а на менее электроотрицательном атоме возникает частичный положительный заряд (δ+, дельта +).

Чем больше различие в электроотрицательностях атомов, тем выше полярность связи и тем больше дипольный момент . Между соседними молекулами и противоположными по знаку зарядами действуют дополнительные силы притяжения, что увеличивает прочность связи.

Полярность связи влияет на физические и химические свойства соединений. От полярности связи зависят механизмы реакций и даже реакционная способность соседних связей. Полярность связи зачастую определяет полярность молекулы и, таким образом, непосредственно влияет на такие физические свойства как температуре кипения и температура плавления, растворимость в полярных растворителях.

Примеры: HCl, CO 2 , NH 3 .

Механизмы образования ковалентной связи

Ковалентная химическая связь может возникать по 2 механизмам:

1. Обменный механизм образования ковалентной химической связи – это когда каждая частица предоставляет для образования общей электронной пары один неспаренный электрон:

А . + . В= А:В

2. образования ковалентной связи – это такой механизм, при котором одна из частиц предоставляет неподеленную электронную пару, а другая частица предоставляет вакантную орбиталь для этой электронной пары:

А: + B= А:В

При этом один из атомов предоставляет неподеленную электронную пару (донор ), а другой атом предоставляет вакантную орбиталь для этой пары (акцептор ). В результате образования связи оба энергия электронов уменьшается, т.е. это выгодно для атомов.

Ковалентная связь, образованная по донорно-акцепторному механизму, не отличается по свойствам от других ковалентных связей, образованных по обменному механизму. Образование ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму характерно для атомов либо с большим числом электронов на внешнем энергетическом уровне (доноры электронов), либо наоборот, с очень малым числом электронов (акцепторы электронов). Более подробно валентные возможности атомов рассмотрены в соответствующей .

Ковалентная связь по донорно-акцепторному механизму образуется:

– в молекуле угарного газа CO (связь в молекуле – тройная, 2 связи образованы по обменному механизму, одна – по донорно-акцепторному): C≡O;

– в ионе аммония NH 4 + , в ионах органических аминов , например, в ионе метиламмония CH 3 -NH 2 + ;

– в комплексных соединениях , химическая связь между центральным атомом и группами лигандов, например, в тетрагидроксоалюминате натрия Na связь между алюминием и гидроксид-ионами;

– в азотной кислоте и ее солях — нитратах: HNO 3 , NaNO 3 , в некоторых других соединениях азота;

– в молекуле озона O 3 .

Основные характеристики ковалентной связи

Ковалентная связь, как правило, образуется между атомами неметаллов. Основными характеристиками ковалентной связи являются длина, энергия, кратность и направленность.

Кратность химической связи

Кратность химической связи — это число общих электронных пар между двумя атомами в соединении . Кратность связи достаточно легко можно определить из значения атомов, образующих молекулу.

Например , в молекуле водорода H 2 кратность связи равна 1, т.к. у каждого водорода только 1 неспаренный электрон на внешнем энергетическом уровне, следовательно, образуется одна общая электронная пара.

В молекуле кислорода O 2 кратность связи равна 2, т.к. у каждого атома на внешнем энергетическом уровне есть по 2 неспаренных электрона: O=O.

В молекуле азота N 2 кратность связи равна 3, т.к. между у каждого атома по 3 неспаренных электрона на внешнем энергетическом уровне, и атомы образуют 3 общие электронные пары N≡N.

Длина ковалентной связи

Длина химической связи – это расстояние между центрами ядер атомов, образующих связь. Ее определяют экспериментальными физическими методами. Оценить величину длины связи можно примерно, по правилу аддитивности, согласно которому длина связи в молекуле АВ приблизительно равна полусумме длин связей в молекулах А 2 и В 2:

Длину химической связи можно примерно оценить по радиусам атомов , образующих связь, или по кратности связи , если радиусы атомов не сильно отличаются.

При увеличении радиусов атомов, образующих связь, длина связи увеличится.

Например

При увеличении кратности связи между атомами (атомные радиусы которых не отличаются, либо отличаются незначительно) длина связи уменьшится.

Например . В ряду: C–C, C=C, C≡C длина связи уменьшается.

Энергия связи

Мерой прочности химической связи является энергия связи. Энергия связи определяется энергией, необходимой для разрыва связи и удаления атомов, образующих эту связь, на бесконечно большое расстояние друг от друга.

Ковалентная связь является очень прочной. Ее энергия составляет от нескольких десятков до нескольких сотен кДж/моль. Чем больше энергия связи, тем больше прочность связи, и наоборот.

Прочность химической связи зависит от длины связи, полярности связи и кратности связи. Чем длиннее химическая связь, тем легче ее разорвать, и тем меньше энергия связи, тем ниже ее прочность. Чем короче химическая связь, тем она прочнее, и тем больше энергия связи.

Например , в ряду соединений HF, HCl, HBr слева направо прочность химической связи уменьшается , т.к. увеличивается длина связи.

Ионная химическая связь

Ионная связь — это химическая связь, основанная на электростатическом притяжении ионов .

Ионы образуются в процессе принятия или отдачи электронов атомами. Например, атомы всех металлов слабо удерживают электроны внешнего энергетического уровня. Поэтому для атомов металлов характерны восстановительные свойства — способность отдавать электроны.

Пример . Атом натрия содержит на 3 энергетическом уровне 1 электрон. Легко отдавая его, атом натрия образует гораздо более устойчивый ион Na + , с электронной конфигурацией благородного газа неона Ne. В ионе натрия содержится 11 протонов и только 10 электронов, поэтому суммарный заряд иона -10+11 = +1:

+11Na ) 2 ) 8 ) 1 — 1e = +11Na +) 2 ) 8

Пример . Атом хлора на внешнем энергетическом уровне содержит 7 электронов. Чтобы приобрести конфигурацию стабильного инертного атома аргона Ar, хлору необходимо присоединить 1 электрон. После присоединения электрона образуется стабильный ион хлора, состоящий из электронов. Суммарный заряд иона равен -1:

+17Cl ) 2 ) 8 ) 7 + 1e = +17Cl — ) 2 ) 8 ) 8

Обратите внимание:

• Свойства ионов отличаются от свойств атомов!
• Устойчивые ионы могут образовывать не только атомы , но и группы атомов . Например: ион аммония NH 4 + , сульфат-ион SO 4 2- и др. Химические связи, образованные такими ионами, также считаются ионными;
• Ионную связь, как правило, образуют между собой металлы и неметаллы (группы неметаллов);

Образовавшиеся ионы притягиваются за счет электрического притяжения: Na + Cl — , Na 2 + SO 4 2- .

Наглядно обобщим различие между ковалентными и ионным типами связи :

Металлическая связь — это связь, которую образуют относительно свободные электроны между ионами металлов , образующих кристаллическую решетку.

У атомов металлов на внешнем энергетическом уровне обычно расположены от одного до трех электронов . Радиусы у атомов металлов, как правило, большие — следовательно, атомы металлов, в отличие от неметаллов, достаточно легко отдают наружные электроны, т.е. являются сильными восстановителями .

Отдавая электроны, атомы металлов превращаются в положительно заряженные ионы . Оторвавшиеся электроны относительно свободно перемещаются между положительно заряженными ионами металлов. Между этими частицами возникает связь , т.к. общие электроны удерживают катионы металлов, расположенные слоями, вместе , создавая таким образом достаточно прочную металлическую кристаллическую решетку . При этом электроны непрерывно хаотично двигаются, т.е. постоянно возникают новые нейтральные атомы и новые катионы.

Межмолекулярные взаимо-действия

Отдельно стоит рассмотреть взаимодействия, возникающие между отдельными молекулами в веществе — межмолекулярные взаимодействия . Межмолекулярные взаимодействия — это такой вид взаимодействия между нейтральными атомами, при котором не появляеются новые ковалентные связи. Силы взаимодействия между молекулами обнаружены Ван-дер Ваальсом в 1869 году, и названы в честь него Ван-дар-Ваальсовыми силами . Силы Ван-дер-Ваальса делятся на ориентационные , индукционные и дисперсионные . Энергия межмолекулярных взаимодейстий намного меньше энергии химической связи.

Ориентационные силы притяжения возникают между полярными молекулами (диполь-диполь взаимодействие). Эти силы возникают между полярными молекулами. Индукционные взаимодействия — это взаимодействие между полярной молекулой и неполярной. Неполярная молекула поляризуется из-за действия полярной, что и порождает дополнительное электростатическое притяжение.

Особый вид межмолекулярного взаимодействия — водородные связи. — это межмолекулярные (или внутримолекулярные) химические связи, возникающие между молекулами, в которых есть сильно полярные ковалентные связи — H-F, H-O или H-N . Если в молекуле есть такие связи, то между молекулами будут возникать дополнительные силы притяжения .

Механизм образования водородной связи частично электростатический, а частично — донорно–акцепторный. При этом донором электронной пары выступают атом сильно электроотрицательного элемента (F, O, N), а акцептором — атомы водорода, соединенные с этими атомами. Для водородной связи характерны направленность в пространстве и насыщаемость .

Водородную связь можно обозначать точками: Н ··· O. Чем больше электроотрицательность атома, соединенного с водородом, и чем меньше его размеры, тем крепче водородная связь . Она характерна прежде всего для соединений фтора с водородом , а также кислорода с водородом , в меньшей степени азота с водородом .

Водородные связи возникают между следующими веществами:

— фтороводород HF (газ, раствор фтороводорода в воде — плавиковая кислота), вода H 2 O (пар, лед, жидкая вода):

— раствор аммиака и органических аминов — между молекулами аммиака и воды;

— органические соединения, в которых связи O-H или N-H : спирты, карбоновые кислоты, амины, аминокислоты, фенолы, анилин и его производные, белки, растворы углеводов — моносахаридов и дисахаридов.

Водородная связь оказывает влияние на физические и химические свойства веществ. Так, дополнительное притяжение между молекулами затрудняет кипение веществ. У веществ с водородными связями наблюдается аномальное повышение тепературы кипения.

Например , как правило, при повышении молекулярной массы наблюдается повышение температуры кипения веществ. Однако в ряду веществ H 2 O-H 2 S-H 2 Se-H 2 Te мы не наблюдаем линейное изменение температур кипения.

А именно, у воды температура кипения аномально высокая — не меньше -61 о С, как показывает нам прямая линия, а намного больше, +100 о С. Эта аномалия объясняется наличием водородных связей между молекулами воды. Следовательно, при обычных условиях (0-20 о С) вода является жидкостью по фазовому состоянию.

Крайне редко химические вещества состоят из отдельных, не связанных между собой атомов химических элементов. Таким строением в обычных условиях обладает лишь небольшой ряд газов называемых благородными: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. Чаще же всего химические вещества состоят не из разрозненных атомов, а из их объединений в различные группировки. Такие объединения атомов могут насчитывать несколько единиц, сотен, тысяч или даже больше атомов. Сила, которая удерживает эти атомы в составе таких группировок, называется химическая связь .

Другими словами, можно сказать, что химической связью называют взаимодействие, которое обеспечивает связь отдельных атомов в более сложные структуры (молекулы, ионы, радикалы, кристаллы и др.).

Причиной образования химической связи является то, что энергия более сложных структур меньше суммарной энергии отдельных, образующих ее атомов.

Так, в частности, если при взаимодействии атомов X и Y образуется молекула XY, это означает, что внутренняя энергия молекул этого вещества ниже, чем внутренняя энергия отдельных атомов, из которых оно образовалось:

E(XY) < E(X) + E(Y)

По этой причине при образовании химических связей между отдельными атомами выделятся энергия.

В образовании химических связей принимают участие электроны внешнего электронного слоя с наименьшей энергией связи с ядром, называемые валентными . Например, у бора таковыми являются электроны 2 энергетического уровня – 2 электрона на 2s- орбитали и 1 на 2p -орбитали:

При образовании химической связи каждый атом стремится получить электронную конфигурацию атомов благородных газов, т.е. чтобы в его внешнем электронном слое было 8 электронов (2 для элементов первого периода). Это явление получило название правила октета.

Достижение атомами электронной конфигурации благородного газа возможно, если изначально одиночные атомы сделают часть своих валентных электронов общими для других атомов. При этом образуются общие электронные пары.

В зависимости от степени обобществления электронов можно выделить ковалентную, ионную и металлическую связи.

Ковалентная связь

Ковалентная связь возникает чаще всего между атомами элементов неметаллов. Если атомы неметаллов, образующие ковалентную связь, относятся к разным химическим элементам, такую связь называют ковалентной полярной. Причина такого названия кроется в том, что атомы разных элементов имеют и различную способность притягивать к себе общую электронную пару. Очевидно, что это приводит к смещению общей электронной пары в сторону одного из атомов, в результате чего на нем формируется частичный отрицательный заряд. В свою очередь, на другом атоме формируется частичный положительный заряд. Например, в молекуле хлороводорода электронная пара смещена от атома водорода к атому хлора:

Примеры веществ с ковалентной полярной связью:

СCl 4 , H 2 S, CO 2 , NH 3 , SiO 2 и т.д.

Ковалентная неполярная связь образуется между атомами неметаллов одного химического элемента. Поскольку атомы идентичны, одинакова и их способность оттягивать на себя общие электроны. В связи с этим смещения электронной пары не наблюдается:

Вышеописанный механизм образования ковалентной связи, когда оба атома предоставляют электроны для образования общих электронных пар, называется обменным.

Также существует и донорно-акцепторный механизм.

При образовании ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму общая электронная пара образуется за счет заполненной орбитали одного атома (с двумя электронами) и пустой орбитали другого атома. Атом, предоставляющий неподеленную электронную пару, называют донором, а атом со свободной орбиталью – акцептором. В качестве доноров электронных пар выступают атомы, имеющие спаренные электроны, например N, O, P, S.

Например, по донорно-акцепторному механизму происходит образование четвертой ковалентной связи N-H в катионе аммония NH 4 + :

Помимо полярности ковалентные связи также характеризуются энергией. Энергией связи называют минимальную энергию, необходимую для разрыва связи между атомами.

Энергия связи уменьшается с ростом радиусов связываемых атомов. Так, как мы знаем, атомные радиусы увеличиваются вниз по подгруппам, можно, например, сделать вывод о том, что прочность связи галоген-водород увеличивается в ряду:

HI < HBr < HCl < HF

Также энергия связи зависит от ее кратности – чем больше кратность связи, тем больше ее энергия. Под кратностью связи понимается количество общих электронных пар между двумя атомами.

Ионная связь

Ионную связь можно рассматривать как предельный случай ковалентной полярной связи. Если в ковалентной-полярной связи общая электронная пара смещена частично к одному из пары атомов, то в ионной она практически полностью «отдана» одному из атомов. Атом, отдавший электрон(ы), приобретает положительный заряд и становится катионом , а атом, забравший у него электроны, приобретает отрицательный заряд и становится анионом .

Таким образом, ионная связь — это связь, образованная за счет электростатического притяжения катионов к анионам.

Образование такого типа связи характерно при взаимодействии атомов типичных металлов и типичных неметаллов.

Например, фторид калия. Катион калия получается в результате отрыва от нейтрального атома одного электрона, а ион фтора образуется при присоединении к атому фтора одного электрона:

Между получившимися ионами возникает сила электростатического притяжения, в результате чего образуется ионное соединение.

При образовании химической связи электроны от атома натрия перешли к атому хлора и образовались противоположно заряженные ионы, которые имеют завершенный внешний энергетический уровень.

Установлено, что электроны от атома металла не отрываются полностью, а лишь смещаются в сторону атома хлора, как в ковалентной связи.

Большинство бинарных соединений, которые содержат атомы металлов, являются ионными. Например, оксиды, галогениды, сульфиды, нитриды.

Ионная связь возникает также между простыми катионами и простыми анионами (F − , Cl − , S 2-), а также между простыми катионами и сложными анионами (NO 3 − , SO 4 2- , PO 4 3- , OH −). Поэтому к ионным соединениям относят соли и основания (Na 2 SO 4 , Cu(NO 3) 2 , (NH 4) 2 SO 4), Ca(OH) 2 , NaOH)

Металлическая связь

Данный тип связи образуется в металлах.

У атомов всех металлов на внешнем электронном слое присутствуют электроны, имеющие низкую энергию связи с ядром атома. Для большинства металлов, энергетически выгодным является процесс потери внешних электронов.

Ввиду такого слабого взаимодействия с ядром эти электроны в металлах весьма подвижны и в каждом кристалле металла непрерывно происходит следующий процесс:

М 0 — ne − = M n + ,

где М 0 – нейтральный атом металла, а M n + катион этого же металла. На рисунке ниже представлена иллюстрация происходящих процессов.

То есть по кристаллу металла «носятся» электроны, отсоединяясь от одного атома металла, образуя из него катион, присоединяясь к другому катиону, образуя нейтральный атом. Такое явление получило название “электронный ветер”, а совокупность свободных электронов в кристалле атома неметалла назвали “электронный газ”. Подобный тип взаимодействия между атомами металлов назвали металлической связью.

Водородная связь

Если атом водорода в каком-либо веществе связан с элементом с высокой электроотрицательностью (азотом, кислородом или фтором), для такого вещества характерно такое явление, как водородная связь.

Поскольку атом водорода связан с электроотрицательным атомом, на атоме водорода образуется частичный положительный заряд, а на атоме электроотрицательного элемента — частичный отрицательный. В связи с этим становится возможным электростатическое притяжения между частично положительно заряженным атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом другой. Например водородная связь наблюдается для молекул воды:

Именно водородной связью объясняется аномально высокая температура плавления воды. Кроме воды, также прочные водородные связи образуются в таких веществах, как фтороводород, аммиак, кислородсодержащие кислоты, фенолы, спирты, амины.

Как уже указывалось в п. 4.2.2.1, металлическая связь - электронная связь атомных ядер с минимальной локализацией обобществленных электронов как на отдельных (в отличие от ионной связи) ядрах, так и на отдельных (в отличие от ковалентной связи) связях. В результате это многоцентровая химическая связь с дефицитом электронов, в которой обобществленные электроны (в виде «электронного газа») обеспечивают связь с максимально возможным числом ядер (катионов), образующих структуру жидких или твердых металлических веществ. Поэтому металлическая связь в целом не- направлена и насыщена, ее следует рассматривать как предельный случай делокализации ковалентной связи. Напомним, что в чистых металлах металлическая связь представляется прежде всего гомоядер- ной , т.е. не может иметь ионной компоненты. В результате типичной картиной распределения электронной плотности в металлах являются сферически симметричные остовы (катионы) в равномерно распределенном электронном газе (рис. 5.10).

Следовательно, конечная структура соединений с преимущественно металлическим типом связи определяется прежде всего сте- рическим фактором и плотностью упаковки в кристаллической решетке этих катионов (высокие КЧ). Метод ВС не может интерпретировать металлические связи. Согласно ММО металлическая связь характеризуется дефицитом электронов по сравнению с ковалентной связью. Строгое приложение ММО к металлическим связям и соединениям приводит к зонной теории (электронная модель металла), согласно которой в атомах, входящих в кристаллическую решетку металла, существует взаимодействие почти свободных валентных электронов, находящихся на внешних электронных орбитах, с (электрическим) периодическим полем кристаллической решетки. В результате энергетические уровни электронов расщепляются и образуют более или менее широкую зону. В соответствии со статистикой Ферми наиболее высокая энергетическая зона заселяется свободными электронами вплоть до полного заполнения, в особенности, если энергетическим термам отдельного атома соответствуют два электрона с антипараллельными спинами. Однако она может быть заполнена частично, что обеспечивает для электронов возможность их перехода на более высокие энергетические уровни. Тогда

эта зона называется зоной проводимости. Существует несколько основных типов взаимного расположения энергетических зон, соответствующих изолятору, одновалентному металлу, двухвалентному металлу, полупроводнику с собственной проводимостью, полупроводнику «-типа и примесному полупроводнику/ьтипа. Соотношение энергетических зон определяет также тип проводимости твердого тела.

Однако эта теория не позволяет количественно охарактеризовать различные металлические соединения и не привела к решению проблемы происхождения реальных кристаллических структур металлических фаз. Специфика природы химической связи в гомоядерных металлах, металлических сплавах и интерметаллических гетеросоединениях рассмотрена Н.В. Агеевым }