Написать конспект на тему "Механизмы образования химических связей, в т.ч. и водородной"
Краткий ответ: химическая связь образуется потому, что связанная система атомов энергетически устойчивее отдельных атомов. Основные виды связей: ковалентная, ионная, металлическая и водородная. Ковалентная связь образуется обменным или донорно-акцепторным механизмом.
Конспект: «Механизмы образования химических связей»
1. Общая причина образования химической связи
Атомы соединяются, чтобы перейти в более устойчивое энергетическое состояние. Обычно это связано с завершением внешнего электронного слоя:
- для большинства атомов — до 8 электронов;
- для атома водорода — до 2 электронов.
Химическая связь возникает благодаря электростатическому притяжению ядер и электронов. При этом энергия системы понижается.
2. Ковалентная связь
Ковалентная связь — связь, образованная общей электронной парой.
Она возникает между атомами неметаллов.
Обменный механизм
Каждый атом предоставляет по одному неспаренному электрону для образования общей электронной пары.
Пример образования молекулы водорода:
\[ \mathrm{H\cdot+\cdot H\rightarrow H:H} \]
Каждый атом водорода предоставляет по одному электрону.
Другие примеры:
\[ \mathrm{Cl\cdot+\cdot Cl\rightarrow Cl:Cl} \]
\[ \mathrm{H\cdot+\cdot Cl\rightarrow H:Cl} \]
Донорно-акцепторный механизм
Один атом — донор — предоставляет для связи сразу электронную пару, а другой атом — акцептор — предоставляет свободную орбиталь.
Общая схема:
\[ \mathrm{A: + B\rightarrow A\rightarrow B} \]
- донор имеет неподелённую электронную пару;
- акцептор имеет свободную орбиталь.
Пример образования иона аммония:
\[ \mathrm{NH_3+H^+\rightarrow NH_4^+} \]
Атом азота в молекуле аммиака предоставляет неподелённую электронную пару, а ион водорода принимает её.
Важно: после образования иона \(\mathrm{NH_4^+}\) все четыре связи N–H становятся равноценными. Донорно-акцепторным является именно механизм образования одной из них.
Полярность ковалентной связи
- между одинаковыми атомами образуется неполярная связь:
\[ \mathrm{H_2,\ O_2,\ N_2} \]
- между разными атомами образуется полярная связь. Общая электронная пара смещается к более электроотрицательному атому:
\[ \mathrm{H^{\delta+}-Cl^{\delta-}} \]
3. Ионная связь
Ионная связь — связь между противоположно заряженными ионами.
Она образуется в результате перехода электронов от одного атома к другому:
- атом металла отдаёт электроны и превращается в катион;
- атом неметалла принимает электроны и превращается в анион;
- ионы притягиваются.
Пример образования хлорида натрия:
\[ \mathrm{Na\rightarrow Na^+ + e^-} \]
\[ \mathrm{Cl+e^-\rightarrow Cl^-} \]
\[ \mathrm{Na^+ + Cl^-\rightarrow NaCl} \]
В кристалле \(\mathrm{NaCl}\) каждый ион окружён ионами противоположного знака.
4. Металлическая связь
Металлическая связь образуется в металлах между положительными ионными остовами и общими подвижными электронами.
В металлической кристаллической решётке:
- атомы металла отдают валентные электроны;
- электроны становятся общими для всего кристалла;
- положительные ионные остовы притягиваются к электронному газу.
Металлическая связь объясняет свойства металлов:
- электропроводность;
- теплопроводность;
- пластичность;
- металлический блеск.
5. Водородная связь
Водородная связь — это притяжение атома водорода, связанного с сильно электроотрицательным атомом, к неподелённой электронной паре другого электроотрицательного атома.
Чаще всего в водородной связи участвуют атомы:
\[ \mathrm{F,\ O,\ N} \]
Обозначают водородную связь пунктиром:
\[ \mathrm{X-H\cdots Y} \]
где:
- \(\mathrm{X-H}\) — полярная ковалентная связь;
- \(\mathrm{H}\) имеет частичный положительный заряд \(\delta+\);
- \(\mathrm{Y}\) имеет неподелённую электронную пару и является акцептором.
Пример между молекулами воды:
\[ \mathrm{O-H\cdots O} \]
Внутри молекулы воды связь O–H является ковалентной полярной, а между молекулами воды возникает водородная связь.
Виды водородной связи
- Межмолекулярная — между разными молекулами:
\[ \mathrm{H_2O\cdots H_2O} \]
- Внутримолекулярная — между разными частями одной молекулы.
Значение водородной связи
Она обусловливает:
- высокую температуру кипения воды;
- поверхностное натяжение воды;
- особенности строения льда;
- устойчивость белков и нуклеиновых кислот.
Водородная связь слабее обычной ковалентной, но её большое количество может существенно влиять на свойства вещества.
Сравнение видов связей
| Вид связи | Механизм образования | Пример |
|---|---|---|
| Ковалентная | Образование общей электронной пары | \(\mathrm{H_2,\ HCl}\) |
| Ионная | Переход электронов и притяжение ионов | \(\mathrm{NaCl}\) |
| Металлическая | Притяжение ионных остовов к общим электронам | \(\mathrm{Fe,\ Cu}\) |
| Водородная | Притяжение \(\delta+\)-водорода к неподелённой паре | \(\mathrm{H_2O\cdots H_2O}\) |
Как определить тип связи
- Металл + неметалл — обычно ионная связь.
- Только неметаллы — ковалентная связь.
- Одинаковые атомы — ковалентная неполярная.
- Разные атомы-неметаллы — ковалентная полярная.
- В металле — металлическая связь.
- Если есть фрагмент \(\mathrm{X-H}\), где \(\mathrm{X=F,\ O,\ N}\), и рядом находится атом с неподелённой парой, возможна водородная связь.
Проверка на примере воды
В молекуле \(\mathrm{H_2O}\):
- связи O–H — ковалентные полярные;
- между молекулами воды — водородные;
- атом кислорода — донор электронной пары для водородной связи;
- атом водорода — её участник с частичным зарядом \(\delta+\).
