Связать атомы в молекулы

Обновлено: 28.06.2022

Согласно современным представлениям основные положения атомно-молекулярной теории сводятся к следующим тезисам:

  1. Частицы веществ непрерывно движутся.
  2. Между частицами вещества действуют силы взаимного притяжения и отталкивания.
  3. Между составляющими частицами вещества существуют расстояния, размер которых зависит от агрегатного состояния.
  4. Молекулы состоят из атомов.
  5. Молекулы сохраняются при физических явлениях и разрушаются во время химических реакций.
  6. Атомы во время химических процессов остаются неделимыми, но перегруппировываются, в результате чего образуются новые соединения.
  7. Разнообразие веществ в природе обусловлена ​​различными сочетаниями атомов, благодаря чему могут возникать вещества с молекулярным или немолекулярным строением.

Важнейшие понятия атомно-молекулярного учения

Согласно атомно-молекулярному учению, главными объектами химии являются атомы, молекулы, химические элементы, простые и сложные вещества.

Атомы — химически неделимые частицы, которые сохраняются при химических реакциях, но при этом частично может меняться строение электронной оболочки. Однако атомы разрушаются в процессе ядерных реакций.

Атом — это наименьшая, химически неделимая, электронейтральная частица элемента, которая состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

Атом — это система, состоящая из ядра и электронной оболочки. В состав атомного ядра, радиус которого в 10000 раз меньше (10 -14 -10 -15 м) радиуса атома (~ 10 -10 м), входят ядерные частицы нуклоны.

Нуклоны — это положительно заряженные протоны и электронейтральные нейтроны. Электронная оболочка, размер которой определяет радиус всего атома — это совокупность электронов. Положительный заряд ядра определяется количеством протонов и равна по абсолютной величине отрицательному заряду электронной оболочки, который соответствует количеству электронов. Благодаря равенству по абсолютной величине зарядов протонов и электронов, атом электронейтрален. Протоны, нейтроны и электроны объединяются общим названием — субатомные частицы.

Массы протона и нейтрона практически одинаковы, а масса электрона в 1836 раз меньше, поэтому вся масса атома фактически сосредоточена в его ядре. По этой причине плотность вещества в ядре фантастически велика — порядка 10 13 -10 14 г / см 3 . Массы атомов различных элементов колеблются от 1,67 · 10 -27 кг (атом водорода) до 4,42 · 10 -25 кг (атом мейтнерия — элемента № 109).

Количественными характеристиками атома является заряд ядра и относительная атомная масса Аr . Эти величины указываются в периодической системе элементов.

Заряд ядра атома равен порядковому номеру элемента (закон Мозли).

Поскольку массы атомов очень малы, в химии внедрена внесистемная единица измерения, называемая атомной единицей массы (а.е.м.) и равна одной двенадцатой массы атома изотопа углерода-12 (m (атома 12 С) = 19,92 · 10 -27 кг):

Относительная атомная масса Аr — это физическая величина, равная отношению средней массы атома элемента к одной двенадцатой массы атома изотопа углерода-12:


В системе измерений СИ Аr — безразмерная величина. Внесистемная единица измерения относительной атомной массы — а.е.м. Абсолютная масса атома равна произведению его относительной атомной массы на 1/12 массы атома углерода — 12 , например

m (ат.О) = А r (О) · 1,66 · 10 — 27 = 16 · 1,66 · 10 — 27 = 26,56 · 10 — 27 кг.

Атом носителем химических свойств элемента . Вместе с этим у атомов одного элемента могут быть разные массы вследствие явления изотопии , при котором атомы одного элемента содержат одинаковое количество протонов в ядре, но разное количество нейтронов, что сказывается на их массе .

Молекула

Молекулы — это реально существующие природные объекты, что подтверждается многими экспериментально доказанными фактами.

Молекула — это наименьшая частица вещества, которая способна самостоятельно существовать и имеет все химические свойства вещества.

Как материальные частицы молекулы имеют размеры и массы. Размеры молекул колеблются в пределах 10 -10 — 10 -7 м. Масса отдельной молекулы чрезвычайно мала. Так, масса молекулы воды составляет 2,895×10 -26 кг.

Молекула сохраняет химические свойства вещества. Известно, что вещество характеризуется определенными физическими и химическими свойствами. Физические свойства — это агрегатное состояние, плотность, температуры кипения и плавления, электропроводность, диэлектрическая проницаемость, цвет, запах, вкус и тому подобное. Понятно, что перечисленные свойства веществ могут быть присущи не одной молекуле, а достаточно большой их совокупности. Однако молекула имеет и собственные физические свойства: дипольный и магнитный моменты, способность к поляризации и тому подобное. А химические свойства вещества (способность вступать в химическое взаимодействие с другими веществами) в полной мере относятся и каждой отдельной молекуле.

Молекулы состоят из атомов, которые соединены между собой химическими связями в определенной последовательности и определенным образом ориентированы в пространстве. Количество атомов в молекуле колеблется от двух (Н2, О2, НСl) до нескольких тысяч (витамины, гормоны, белки). Атомы благородных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) иногда называют одноатомными молекулами. Состав молекулы — важнейшая характеристика молекулы и вещества — описывается химическими формулами.


Схематическое модель молекулы NH3

Между молекулами есть расстояния, обусловленные агрегатным состоянием вещества: в газах они составляют 10 -8 — 10 -7 м, в твердых телах — примерно 10 -10 м.

При физических явлениях молекулы сохраняются, а при химических превращениях — разрушаются, образуя новые вещества.

Количественной характеристикой молекулы является относительная молекулярная масса Мr .

Относительная молекулярная масса Мr— это отношение средней массы молекулы вещества к 1/12 массы атома углерода-12.

В системе СИ относительная молекулярная масса Mr — безразмерная величина, а внесистемной единицей ее измерения является а.е.м.

Относительная молекулярная масса Мr равна сумме относительных атомных масс Аr элементов, входящих в состав молекулы, с учетом количества атомов каждого элемента , например:

M r (SO 2 ) = A r (S) + 2 A r (O) = 32 + 2 · 16 = 64 а.е.м.

Абсолютная масса молекулы определяется как произведение Мr на атомную единицу массы:

m (молекулы SO 2 ) = M r (SO 2 ) · 1,66 · 10 — 27 = 64 · 1,66 · 10 — 27 = 1,06 · 10 — 25 кг.

Молекулярное строение имеют органические соединения и часть неорганических веществ, но большинство неорганических веществ состоит из ионов, в которых носителями химических свойств является условные частицы — ассоциаты ионов. Поэтому к веществам ионной строения невозможно применять понятие «молекула» так же как и к металлов и их сплавов, кристаллическая решетка которых имеет свои специфические особенности. Таким образом, с современной точки зрения молекула — это наименьшая электронейтральна замкнутая совокупность атомов, образует определенную структуру с помощью химических связей.

Химический элемент

Сейчас известно 118 химических элементов: из них 89 обнаружены в природе, а другие получены искусственно при проведении ядерных реакций.

Химический элемент — это вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Каждый элемент имеет свое название и символ. Названия элементов с порядковыми номерами 104-109 утверждены советом IUPAC (1997.) Позже были названы другие элементы. Теперь элемент №104 имеет следующие название и символ: Резерфорд Rf, №105 — Дубний Db, №106 — Сиборгий Sg, №107 — Борий Bh, элемент №108 — Хассий Hs, №109 — Мейтнерий Mt, №110 — Дармштадтий Ds. Химические элементы №№111-118 еще не получили официальных названий, поэтому их пока называют по порядковым номерам, например: №111 — Унунуний Uuu (один, один, один) №112 — Унунбий Uub (один, один, два) и т.д.

Химический символ означает, во-первых, название элемента, во-вторых, — один атом этого элемента при записях формул химических реакций.

Основной количественной характеристикой элемента является заряд ядра его атомов Z , совпадающей с порядковым номером элемента. В природе отсутствуют различные химические элементы, которые должны одинаковый заряд ядра, поэтому можно однозначно определить элемент с зарядом ядра его атома. Относительная атомная масса Аr тоже в определенной степени может служить количественной характеристикой элемента, но не исчерпывающей, так как по величине Аr невозможно определить элемент. Существуют атомы различных элементов с одинаковыми Аr — так называемые изобары. С другой стороны, как уже упоминалось, существуют атомы одного и того же элемента с различными Аr — изотопы .

Формулы изотопов конечно записывают с помощью символа химического элемента, отметив заряд ядра (слева снизу) и массового числа (слева сверху). Исключением являются изотопы элемента водорода, для которых наряду с традиционной символикой допускаются и индивидуальные названия и обозначения.

Простые и сложные соединения

Поскольку вещество — это любая совокупность атомов или молекул, то по составу все соединения можно разделить на простые и сложные.

Простыми веществами называются вещества, которые состоят из атомов одного элемента; простые вещества — это форма существования химического элемента в свободном состоянии.

Насчитывается более 500 простых веществ, а элементов известно всего 118. Такое расхождение объясняется явлением под названием аллотропия.

Аллотропия — это способность элемента образовывать несколько простых, отличающихся по свойствам веществ, которые называются аллотропными модификациями, или алотропамы.

Простые вещества могут иметь молекулярное и немолекулярное строение — атомное или металлическое. Молекулярное строение присуще кислороду, галогенам; атомное — благородным газам, алмазу, графиту; металлическое — металлам в разном состоянии.

Сложными веществами называются вещества, содержащие атомы различных элементов, то есть это форма существования элементов в связанном состоянии.

Сложные вещества могут иметь как молекулярное строение (Н2S, CH4, HCl, H2O), так и немолекулярное: ионное (NaCl, Na2O, NaOH) или металлическое (Fe3C — карбид железа).

Химические реакции, их классификация

Химическими реакциями являются процессы, при которых изменяется состав соединений вследствие разрушения связей в одних веществах и образования новых соединений.

Химические реакции — это явления, при которых происходят превращения одних веществ в другие без изменения состава атомных ядер.

Для условного записи химических реакций применяют уравнения химических реакций, где в левой части указывают формулы исходных веществ, а в правой — конечных продуктов, образовавшихся в результате реакции Перед формулами всех веществ проставляют необходимые стехиометрические коэффициенты — числа, с помощью которых сравнивают количества атомов каждого элемента слева и справа.

Итак, уравнение химической реакции — условный запись, в которой с помощью химических формул соединений и стехиометрических коэффициентов отмечают состав и количество исходных веществ и продуктов реакции .

Химические реакции всегда сопровождаются физическими эффектами, которые подтверждают протекание реакции. Визуальными признаками химических реакций обычно является выделение газа, выпадение осадка, изменение окраски реакционной среды или тепловой эффект.

Для химических реакций, проходящих между неорганическими реагентами, чаще всего используются такие классификации:

  1. По признаку изменения количества и состава исходных веществ и конечных продуктов все реакции делятся на типы:
    • реакции разложения , в которых из одного сложного вещества образуется несколько продуктов. В общем виде:
  • реакции соединения , в которых из нескольких веществ относительно простого состава образуется одна сложное вещество:
  • реакции замещения , в которых простое вещество замещает составную часть сложного вещества, в результате чего образуются другие простая и сложная вещества: A + B C → A B + C A+BC→AB+C .
  • реакции обмена , в которых молекулы сложных веществ обмениваются своими составными частями: A B + C D → A D + B C AB+CD→AD+BC .
  • окислительно-восстановительные реакции, при которых происходит изменение степеней окисления у атомов одного или нескольких исходных веществ. Этот тип реакций подробно будет рассматриваться позже, а здесь мы ограничимся только примером окислительно-восстановительной реакции с указанием степеней окисления:
  • реакции невалентных преобразований, в процессе которых меняется только состав веществ, а электронные оболочки отдельных атомов остаются неизменными, а значит и степени окисления в атомах всех элементов не изменяются. Типичными случаями реакций невалентных преобразований являются реакции обмена, а также некоторые реакции соединения и разложения.
  • оборотные , при которых протекание реакций происходит как в прямом, так и в обратном направлении. Следует помнить, что при записи оборотных реакций вместо знаков равенства или стрелочки (= или → → ) Ставят две стрелки, направленные в противоположные стороны ( ↔ ↔ или ⇔ ⇔ ).
  • необратимые , идущие в одном направлении до полного расходования хотя бы одного из реагентов. Как правило, необратимые реакции имеют одну из следующих признаков: а) продукты, получаемые, выходят из реакционной среды в виде осадка или газа; b) образуются малодиссоциированные соединения (то есть слабые электролиты: вода, слабая кислота или слабое основание) с) выделяется большое количество теплоты (горение, взрыв).
  • гомогенные , при которых вещества, содержащиеся в системе, не отделяются друг от друга поверхностью раздела фаз;
  • гетерогенные , характеризующихся наличием поверхности раздела фаз, то есть хоть одно соединение находится в другом агрегатном состоянии, чем остальные веществ.
  • термохимические, которые сопровождаются тепловым эффектом, то есть энергия подводится или отводится в форме теплоты. По знаку тепловых эффектов реакции делятся на следующие типы:
    • экзотермические, сопровождающиеся выделением теплоты;
    • эндотермические, при которых теплота поглощается;
    • молекулярными, при которых взаимодействие между веществами проходит результате столкновения отдельных молекул реагирующих веществ;
    • ионными, протекающих при взаимодействии между ионами;
    • радикальными, при которых одной из взаимодействующих частиц является радикал. Радикалы при записи обозначают с помощью точки рядом с формулой ( ∙ ∙ ).
    • каталитические, протекающих в присутствии катализаторов — специальных веществ, которые ускоряют реакцию;
    • некаталитические, в которых ускоряющий влияние катализатора отсутствует.

    Если молекулы – основные структуры, задействованные в химии – это слова, из которых состоят все окружающие нас материалы, тогда атомы – это буквы, строительные блоки молекул. Слова бывают разной длины, и типичная молекула тоже может содержать несколько атомов, или несколько сотен, или даже сто тысяч атомов. Молекула столовой соли NaCl состоит из двух атомов, натрия Na и хлора Cl. Молекула воды H2O содержит два атома водорода и один кислорода. Молекула столового сахара C12H22O11 содержит 12 атомов углерода, 11 кислорода и 22 водорода, организованных определённым образом.

    Откуда нам известно о существовании атомов? Иногда их можно «видеть», так же, как мы видим молекулы, которые они могут формировать. Не глазами, но более продвинутыми устройствами. Один из методов использует сканирующий туннельный микроскоп, способный показывать атомы в кристалле или даже передвигать их по одному. Другой метод использует нашу возможность захвата ионов (немного изменённых атомов – подробности ниже).

    image

    На фото – три иона, пойманных одновременно. На них падает свет, они поглощают его и снова испускают. Повторно испущенный свет можно обнаружить, благодаря чему мы можем увидеть, где находятся ионы – примерно так отражение света от небольшого, но яркого бриллианта может помочь нам найти его.

    Сколько же типов атомов существует? Типы называются «химическими элементами» и точное их количество зависит от того, как их считать. Но допустим, что атомный алфавит состоит из примерно сотни химических элементов, а к тонкостям подсчёта вернёмся позже. Так же, как мы могли назначить буквам алфавита от А до Я номера от 1 до 33, каждому элементу назначается не только имя, но и атомный номер (обозначается «Z»). Самые простые атомы – у водорода, их атомный номер = 1. Самые сложные в изобилии встречаются в природе, это уран с атомным номером 92. Другие – кислород (8), азот (7), кальций (20), криптон (36), лантан (57), платина (78). Полный список ищите в периодической системе элементов Менделеева. У каждого элемента своя химия – то, как он ведёт себя внутри молекул – примерно так, как у каждой буквы есть свои правила, по которым она может встречаться в словах.

    Вопросы, которые можно задать об атомах:

    1. Из чего состоят атомы?
    2. В чём смысл атомного номера?
    3. Каков главный источник различий в химическом поведении атомов разных элементов?
    4. До какой степени разные атомы одного элемента схожи между собой?
    5. Как части атома удерживаются вместе?
    6. Почему атомы удерживаются вместе и образуют молекулы?

    Оказывается, на все эти вопросы лучше всего отвечать, начав с первого: из чего состоят атомы? Атомы состоят из того, что обычно называют «субатомными частицами» (к сожалению, этот термин некорректен, поскольку у этих «частиц» есть некоторые свойства, частицам не присущие). Конкретнее, атомы состоят из набора небольших и очень лёгких электронов, окружающих крохотное, но тяжёлое атомное ядро, в котором содержится большая часть массы атома. Ядро состоит из других «частиц», в свою очередь также состоящих из других «частиц», и мы до них ещё доберёмся.

    Рисованный атом

    Частенько мы видим изображения атомов, нарисованные на книгах по химии, на рекламках и предупреждающих знаках. Пример – рис. 1. Он передаёт очень грубую идею того, как устроен атом: снаружи у него есть определённое количество электронов (синие), и они вращаются вокруг центрального атомного ядра. Ядро – это скопление протонов (красные) и нейтронов (белые).

    image

    Теперь мы можем ответить на 2-й вопрос: что означает атомное число Z? Это просто количество протонов в ядре. У кислорода атомный номер 8, и у него в ядре 8 протонов.

    В простейших условиях атомное число также равняется количеству электронов атома. С количеством нейтронов всё сложнее, мы вернёмся к этому позже. У электронов отрицательный электрический заряд (-е), а у протонов – положительный (+е). Нейтроны нейтральны, электрического заряда у них нет. Когда количество электронов и протонов совпадает, их заряды взаимно уничтожаются, и у атома электрического заряда не наблюдается – такой атом нейтрален.

    Но нет ничего необычного – к примеру, в процессе формирования молекул – если атом приобретёт или потеряет один или несколько внешних, валентных электронов. В этом случае электрические заряды электронов и протонов не уничтожаются, и получившийся заряженный атом называют ионом.

    Более реалистичный атом

    Хотя рис. 1 примерно описывает архитектуру атома – электроны действительно находятся снаружи, а ядро, состоящее из протонов и нейтронов, в середине – он совершенно не передаёт реальную форму и суть атома, поскольку он выполнен не в масштабе, а мы живём в квантовом мире, в котором объекты ведут себя так, что их сложно нарисовать или представить.

    С проблемой масштаба можно разобраться, нарисовав более точное (хотя всё ещё несовершенное) изображение, рис. 2.

    image


    Рис 2. Атом – по большей части пуст (серая область). По нему быстро движутся электроны (голубые точки, нарисованы не в масштабе, а гораздо больше). В центре находится тяжёлое ядро (красные и белые точки, нарисованы больше, чем в масштабе).

    Вот, что я попытался передать этим изображением. Во-первых, электроны очень, очень малы, настолько малы, что мы так и не смогли измерить их размер – может статься, что они точечные и не имеют размера, но они точно не больше, чем 1/100 000 000 от диаметра атома. Во-вторых, ядра (и протоны с нейтронами, их составляющие) также крайне малы, хотя они и больше, чем электроны. Их размер измерен, и он примерно в 10 000 – 100 000 раз меньше диаметра атома. Атом немного похож на деревню. Протоны и нейтроны в ядре – большие дома, находящиеся в центре деревни, а электроны – далеко разбросанные фермерские домики. На большей части сельской местности растут зерновые культуры и нет домов. И хотя территория, считающаяся частью деревни, может быть большой, реально занимаемая домами площадь очень мала.

    Но эта аналогия не полная, поскольку электроны, в отличие от фермерских домиков, очень быстро двигаются по серому региону на картинке и вокруг ядра со скоростями порядка 1% от скорости света. Покрываемая ими территория обычно не сферическая, а более сложной формы, кроме того не все электроны перемещаются по одной и той же территории.

    Но, как я вас предупреждал, рис. 2 тоже не точный. Во-первых, нужно было бы нарисовать ядро в тысячи раз меньше, а электроны – в миллионы раз меньше, только тогда их не было бы видно. Если бы атом был размером с вашу спальню, то его ядро было бы размером с пылинку. По сравнению со своими компонентами, атомы огромны! В каком-то смысле большую часть атома составляет пустота!

    Во-вторых, изображение не передаёт мутную природу квантовой механики. Уравнения квантовой механики описывают и предсказывают поведение молекул, атомов и субатомных частиц, и эти уравнения говорят нам, что у этих частиц могут быть очень странные и неинтуитивные свойства. Хотя электроны в каком-то смысле точечные (допустим, если вы захотите столкнуть два электрона друг с другом, то обнаружите, что можете сдвинуть их вместе на сколь угодно малое расстояние, и они ничем не выдадут своей внутренней структуры, если она вообще есть), есть возможность сделать так, что они, будучи оставленными в покое, будут распространяться как волна и заполнят всё серое пространство на рис. 2. Если это звучит странно, это не оттого, что вы чего-то не поняли: это странно и об этом тяжело думать. Я-то уж точно не знаю, как нарисовать атом, чтобы не вводить вас в заблуждение, и эксперты всё ещё спорят о том, как лучше всего о нём думать. Так что пока просто примите это как странный факт.

    Размер электрона слишком мал для измерения, и его масса настолько мала, что электрон может распространиться по всему атому. А вот у ядра есть вполне измеренный и известный размер, а его масса так велика – больше 99,9% массы всего атома – что оно вообще не распределяется в пространстве. Ядро сидит в середине серой области.

    Атом и его химия

    Лучший приходящий мне в голову способ описать атом: большая часть массы атома содержится в ядре, находящемся в его центре, вокруг которого распределились чрезвычайно мелкие электроны гораздо меньшей массы, причём сделали это совершенно не так, как ведут себя частицы, заполнив всю серую область рис. 2.

    Небольшой размер ядра по отношению к полному размеру атома, и то, что оно обычно находится в его центре, объясняет, почему оно играет относительно слабую роль в химии. Химия происходит – то есть, формируются и меняются молекулы – когда атомы приближаются друг к другу, а это происходит, когда внешние, валентные электроны одного атома близко подходят к внешним электронам другого – когда край серой области одного атома приближается к краю серой области другого. В химических процессах атомное ядро остаётся в центрах атомов, и никогда не приближается к другим ядрам. Основная роль ядра – обеспечение положительного заряда, удерживающего электроны, и большей части массы (определяющей, как сложно другим объектам передвигать этот атом).

    Это отвечает на 3-й вопрос: химию атома в основном определяют подробности, связанные с его внешними электронами. Эти детали можно узнать (сложным способом, через уравнения квантовой механики), исходя из атомного номера Z.

    Вместо того, чтобы заняться химией – темой, которой хватит на целый курс – мы перейдём на уровень ниже, к субатомным частицам, по пути отвечая на другие вопросы. Перечислим вопросы, с которыми мы разобрались, и вопросы, которые ещё предстоит изучить.

    1. Из чего состоят атомы? Снаружи – электроны, в центре – атомное ядро (из протонов и нейтронов).
    2. В чём смысл атомного номера? Это количество протонов в ядре атома, которое, в обычных условиях равно количеству электронов, его окружающих.
    3. Каков главный источник различий в химическом поведении атомов разных элементов? Свойства внешних электронов, определяемые общим количеством электронов у каждого элемента, к примеру, атомным номером.
    4. До какой степени разные атомы одного элемента схожи между собой? Обсудим это в статье про изотопы.
    5. Как части атома удерживаются вместе? Обсудим это в статье о роли электрических сил и квантовой механики.
    6. Почему атомы удерживаются вместе и образуют молекулы? Обсудим это в статье о роли электронов и электрических сил в построении молекул из атомов.

    А вот вам ещё вопрос, который мог возникнуть при изучении рис. 2:

    Если атом – по большей части пуст, почему объекты кажутся твёрдыми? Почему нельзя протянуть руку через экран компьютера, если экран состоит из атомов, по большей части пустых?

    Каким образом мы узнали, что атомы действительно существуют? Мы рассказывали о них с большими подробностями в статье про атомы химических элементов , но ведь они слишком малы, чтобы увидеть их с помощью оптического или даже электронного микроскопа. Тем не менее легко наблюдать некоторые явления, свидетельствующие об их существовании.

    Когда заряженная частица, например ядро водорода или гелия, проходит через влажный газ, она оставляет за собой след пара, подобный тому, который оставляет самолет высоко в небе. Этот след мы можем увидеть или сфотографировать даже без микроскопа.

    Соединение атомов в молекулы

    Хотя до последнего времени не удавалось разглядеть атом, но зато можно увидеть молекулу, которая является химической комбинацией атомов. Изредка встречаются настолько большие молекулы, что их уже можно наблюдать с помощью электронного микроскопа, хотя они слишком малы, чтобы отражать более длинные волны видимого света, и поэтому их не удается увидеть с помощью простого микроскопа.


    Сколько атомов содержит молекула

    Вирус — это и есть огромная молекула, одна из самых больших среди известных молекул. Вирус полиомиелита, принесший так много бед, представляет собой сферическую молекулу, содержащую много тысяч атомов. Его можно увидеть с помощью электронного микроскопа при увеличении в 180000 раз.

    В 1957 г. ученый из Пенсильванского университета Эрвин Мюллер получил первую действительную фотографию отдельных атомов. Слева показаны атомы вольфрама, расположенные в кристаллической решетке на поверхности очень тонкой металлической иглы. Они наблюдались Мюллером в поле ионного микроскопа. Каждая маленькая точка — это отдельный атом, яркие точки — группы из нескольких атомов. Увеличение здесь составляет около 2000000.

    В Массачузетском технологическом институте доктор Мартин Бюргер при помощи рентгеновских лучей зафиксировал расположение отдельных атомов в кристалле пирита. Пирит — дисульфид железа — является соединением железа и серы. Каждая ячейка пирита содержит 1 атом железа и 2 атома серы.

    Атомы, конечно, чрезвычайно малы. Один атом железа имеет диаметр менее трех стомиллионных долей сантиметра. На фотографии нельзя детально рассмотреть атом, однако на ней ясно видно положение отдельных атомов в кристалле.

    Как связаны атомы в молекулах

    Теперь выясним вопрос, как заставить атомы различные элементы, например железо и серу, соединиться и образовать молекулы?

    Если мы тщательно перемешаем железные опилки с серой, то смесь все еще будет оставаться железными опилками и серой. Их легко вновь разделить. Для этого нужен только магнит. Таким образом, железо и сера при смешивании не образуют химического соединения. Они образуют смесь отдельных атомов железа и серы, просто лежащих рядом. Однако, если мы поместим смесь в тигель и нагреем ее, то атомы железа и серы образуют химическое соединение.

    Нагретые вместе, они теряют свою индивидуальность и становятся соединением, а именно — сульфидом железа, которое отличается по всем своим свойствам как от железа, так и от серы. Каждая молекула этого сульфида железа, или FeS, имеет 1 атом железа и 1 атом серы. Это вещество очень похоже на дисульфид железа, формула которого FeS2. Совсем легко приготовить соединение из магния, потому что для этого требуется только небольшое количество металлического магния и тепло. Необходимый кислород будет поступать из воздуха.

    Можно взвесить магний и убедиться, что при горении он увеличивается в весе, а не теряет его. Это происходит потому, что магний соединяется с кислородом воздуха, образуя новое соединение — окись магния MgO. Окись магния, конечно, тяжелее первоначального магния, так как мы должны прибавить к весу атома магния еще вес атома кислорода. Полученная окись магния не похожа ни на магний, ни на кислород.

    Процесс соединения железа и серы или магния и кислорода называется химической реакцией. Химические формулы для обеих реакций очень просты:

    • Fe + S -> FeS (железо плюс сера образуют сульфид железа)
    • 2Mg + 02 -> 2MgO (магний плюс кислород образуют окись магния).

    До сих пор мы видели, как химик получает соединение из двух элементов, но не выяснили вопрос, почему происходит реакция. Существует очень много способов, которыми атомы могут соединяться в молекулы, но любой из них всегда состоит в перегруппировке атомных электронов на орбитах.

    Перегруппировка электронов в атомах фактически и определяет химические процессы.

    Первый горизонтальный ряд периодической системы содержит только два элемента — водород и гелий. Каждый из них имеет одну электронную оболочку. Второй горизонтальный ряд состоит уже из восьми элементов с двумя электронными оболочками. Можно сказать, что у каждого из элементов имеется «восьмиместная» внешняя оболочка, причем одно или несколько «мест» на ней занято электронами.

    Как мы уже видели, первый элемент этого ряда — литий — имеет только один электрон на внешней оболочке, бериллий — два, и т. д., вплоть до неона, у которого все восемь мест заняты электронами.

    Подобное положение имеет место и в других пяти горизонтальных рядах периодической таблицы. С первого элемента каждого ряда начинается заполнение новой оболочки.

    В каждой вертикальной колонке периодической системы находятся элементы, имеющие одинаковое число электронов на внешней оболочке. Водород, литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций — все они имеют единственный электрон на внешней оболочке.

    На другом, правом краю периодической таблицы находятся элементы, у которых внешние оболочки заполнены,— это гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон.

    Элементы каждой вертикальной колонки являются членами одного и того же семейства. А так как все они имеют одинаковое число электронов на своих внешних оболочках, то обладают сходными химическими свойствами.

    Не считая самого водорода, элементы в первой колонке — химические родственники водорода — называются щелочными металлами. Каждый из них имеет единственный электрон, который способен перемещаться в химических реакциях.

    Такая реакция имеет, например, место, когда натрий соединяется с хлором, образуя молекулы всем известной пищевой (поваренной) соли. На двумерной модели атома натрия можно видеть, что он имеет 11 протонов в ядре и 11 электронов, уравновешивающих положительный заряд ядра: два электрона на первой оболочке, 8 — на второй и 1 — на третьей.

    В атоме хлора 17 электронов — 2, 8 и 7 на каждой из оболочек. У натрия имеется один внешний электрон, в то время как хлору не хватает одного электрона до заполнения оболочки. Они образуют химическое соединение тогда, когда единственный электрон с внешней оболочки натрия перепрыгнет и заполнит внешнюю оболочку атома хлора. Натрий, рставшийся без электрона, становится положительно заряженным. Один из его отрицательных зарядов (электрон) прибавился к хлору. Два атома теперь имеют противоположные заряды и, таким образом, удерживаются вместе сильной электрической связью.

    Собственно, правильнее говорить не об атомах, а ионах, имеющих противоположные заряды, так как атомы, которые лишились своей нейтральности путем присоединения или потери электронов, называются ионами.

    Чтобы осуществить на практике этот эксперимент, мы должны взять бутылку с хлором, который представляет собой желтовато-зеленый ядовитый газ, и бросить в нее кусочек мягкого ядовитого металла — натрия. Вскоре, когда натрий и хлор соединятся, образуется пищевая соль NaCl. Конечно, только очень большое число молекул соли или какого-нибудь другого соединения, сгруппировавшихся вместе, может образовать заметные количества его.

    Натрий и хлор растут вместе в виде кристаллов. Ионы натрия и ионы хлора, перемежаясь между собой, образуют кубическую решетку. Кристаллы соли обычно несовершенны и имеют различные дефекты. Однако кристаллы, выращенные без нарушений, обладают отчетливой кубической структурой. Изображенный на предыдущей странице сложный кристалл включает огромное число атомов — приблизительно 1025.атомов натрия и столько же атомов хлора.

    Это число выглядит очень внушительно: 10 000 000 000 000 000 000 000 000.

    Поваренная соль иллюстрирует только один из способов соединения атомов при образовании молекул. Этот способ, однако, отнюдь не основной. Другим примером может служить вода. Пусть у нас есть два атома водорода, каждый из которых имеет по одному электрону, и один атом кислорода. Кислород, содержащий восемь протонов в ядре, имеет также 8 электронов. Два электрона находятся на внутренней оболочке и шесть — на внешней, при этом на ней остаются два незаполненных места, которые, вероятно, могут быть заняты электронами двух атомов водорода.

    Но в данном случае электроны не передаются, как это было с натрием и хлором. Вместо этого два атома водорода приближаются к атому кислорода и владеют своими электронами совместно с ним. Соединение атомов в молекулы по такому способу называется по-разному: или совместное владение электронами, или связь с помощью электронных пар, или, наконец, ковалентная связь. Огромное число молекул образуется именно по этому принципу.

    В таких молекулах возникают ничтожные электрические токи, постоянно меняющие направление. Это обстоятельство заставляет молекулы притягиваться друг к другу и сцепляться вместе, образуя видимые количества воды, сахара или других веществ. При отсутствии сил, удерживающих молекулы вместе, все молекулы передвигались бы независимо, как в воздухе, и любое вещество было бы газообразным.

    Предыдущая публикация получила отрицательную оценку с формулировкой «зачем здесь размещать столь элементарные вещи». Поэтому я сразу предупреждаю, что данный материал предназначен, в первую очередь, для школьников, начинающих изучать химию. А также для тех, кому этот предмет был непонятен в школьные годы. Я бы поместил статью на популярном специализированном ресурсе для школьников, если бы он существовал.

    И да, я в курсе существования модели атома, в которой электрон представляет собой волну вероятности, расположенную вблизи ядра. Но школьнику, как правило, трудно представить себе то, как вероятность может соединять атомы в молекулы. Поэтому излагаю «на пальцах».

    Соединение атомов в молекулы

    Наш мир не существует в виде отдельных атомов, они каким-то образом соединяются друг с другом. Каким именно?

    Возьмем два атома водорода. Каждый из них содержит по одному протону и по одному электрону, поэтому суммарный заряд каждого из этих атомов равен нулю.

    говорит нам, что нейтральные тела не должны притягиваться друг к другу

    (q1 = 0, q2 = 0).

    А значит, водород (и любой другой химический элемент) должен существовать только в виде атомов, и никогда не соединяться в молекулы. На самом же деле атомы водорода всегда соединяются попарно. Почему?

    Давайте возьмем два отрезка металла, и расположим их параллельно на небольшом расстоянии друг от друга.


    Оба отрезка содержат одинаковое количество протонов и электронов, следовательно, суммарный заряд каждого из них равен нулю. А значит, они не имеют причин для взаимного притяжения.

    Мы знаем, что в металлах часть внешних электронов покидает свои атомы и свободно гуляет между ионами (покинутыми атомами) кристаллической решетки металла. И распределены эти электроны, в среднем, равномерно.

    Представьте себе, что нам удалось каким-то образом переместить часть этих свободных электронов в левую часть нижнего отрезка металла. При этом в его правой части окажется дефицит электронов.


    Мы получили так называемый диполь: левая часть отрезка заряжена отрицательно, правая – положительно. Отлично. А что будет происходить в верхнем отрезке? Мы знаем, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а противоположные — притягиваются. Следовательно, электроны верхнего отрезка, отталкиваясь от электрических полей электронов нижнего отрезка, уйдут в правую часть. То есть, картина распределения электронов в этих двух отрезках металлов станет зеркальной:


    Такое влияние заряженных предметов на соседние предметы, приводящее к перераспределению зарядов в них, называется электростатической индукцией.

    Теперь самое интересное: положительно заряженные ядра атомов в левой части верхнего отрезка оказались напротив электронов, собранных в левой части нижнего отрезка. А противоположные заряды притягиваются. Значит, левые части отрезков начнут притягиваться друг к другу!

    То же самое будет происходить в правой части отрезков – только зеркально. И правые концы отрезков также будут притягиваться друг к другу. Чудесно, не так ли? Перераспределение зарядов внутри одного из отрезков проводников, привело к взаимному притяжению этих двух отрезков!

    А что произойдет, если теперь переместить свободные электроны нижнего отрезка в его правый конец? Тогда свободные электроны верхнего отрезка переместятся в левый конец. То есть, перемещая электроны туда – сюда в одном из отрезков, мы заставляем перемещаться электроны соседнего отрезка, никак не связанного с первым! Такое влияние перемещения электронов в одном проводнике на перемещение электронов в соседнем проводнике называется электродинамической индукцией.

    Хотя это и не относится к нашей теме, отметим, что мы с вами в несколько упрощенном виде изучили, как работает антенна и приемник при радиопередаче.
    Мы можем расположить эти два отрезка металла иначе – торцами друг к другу:


    Если мы сумеем переместить электроны, допустим, в правую часть левого отрезка, электроны правого отрезка, отталкиваясь от них, также переместятся в правую часть правого отрезка:


    И в этом случае эти два отрезка металла начнут притягиваться друг к другу, так как их ближние концы имеют противоположный заряд. Следует особо обратить внимание на то, что во втором варианте расположения отрезков, сила их взаимного притяжения будет слабее, так как притягиваются только их встречные торцы, в то время, как при первом варианте расположения отрезков, притягивались друг к другу как левые, так и правые концы.

    Но как это относится к соединению атомов? Давайте посмотрим на атом водорода. В нем имеется электрон, перемещающийся вокруг ядра. И если рядом окажется второй атом водорода, этот электрон заставит электрон соседа перемещаться примерно так же, как они перемещались в наших отрезках металла – пока электрон одного из атомов находится с одной стороны ядра своего атома, соседний будет вынужден находиться с противоположной стороны своего атома.

    Здесь, разумеется, влияние не одностороннее, а взаимное – как первый электрон влияет на второй, так и второй влияет на первый. Но самое главное в том, что эти два атома будут притягиваться точно так же, как притягивались два куска металла во втором варианте их взаимного размещения (торцами друг к другу).

    Суть такая же: электроны держатся подальше друг от друга, позволяя разноименным зарядам притягиваться друг к другу. Представьте себе, что электрон одного из атомов оказался между ядрами двух соседних атомов, в то время, когда электрон соседнего атома находился в противоположной, удаленной точке орбиты:


    Теперь у нас есть отрицательно заряженный электрон, находящийся между двумя положительно заряженными ядрами атомов. Ядра обоих атомов притягиваются к этому электрону. Таким образом, электрон в данный момент связывает два атома.

    Расстояние между ядрами атомов больше, чем расстояние от каждого из ядер до электрона, находящегося между ними. А мы помним, что сила взаимодействия зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Поэтому, в данный момент, сила притяжения ядер к электрону больше, чем взаимное отталкивание ядер.

    Но электроны постоянно перемещаются, и поэтому через некоторое время первый электрон покидает место между ядрами, зато туда перемещается второй электрон. В этот момент роль связующего переходит электрону второго атома (момент 3 на рисунке ниже).


    Заметим, что в моменты времени, показанные на рисунках 2 и 4, между ядрами атомов нет электронов. В эти моменты ядра отталкиваются друг от друга. По этой причине расстояние между атомами колеблется — постоянно меняется в процессе вращения электронов вокруг ядер, но сохраняется ее средняя длина, называемая длиной связи. Длина связи – расстояние между ядрами атомов — индивидуальна для каждой пары видов атомов, объединенных в молекулу.

    Электроны этих двух атомов в образовавшейся молекуле водорода стараются находиться как можно дальше друг от друга так же, как они делали это в отрезках металлов. За счет этого происходит их синхронизация – их расположение относительно друг друга на каждом обороте вокруг ядер примерно одинаково.

    Это несколько напоминает коллективное исполнение вальса, когда пары вращаются с одинаковой скоростью таким образом, чтобы ни дамы, ни кавалеры никогда не оказывались рядом друг с другом, а всегда чередовались:


    Данная статья — выдержка из книги «Понятная химия».

    Святая Неопределенность и Святая Вероятность

    Квантовая теория утверждает, что невозможно одновременно определить точное место электрона в пространстве и его импульс (направление и скорость его движения). Поэтому считается, что вокруг ядра атома существуют некие места (области), в которых вероятность обнаружить электрон высока. Эти области и называют орбиталями электронов.

    Эту теорию нетрудно объяснить на бытовом примере. Допустим, вы живете в квартире, в которой есть спальня кухня и санузел. Если вы 90% времени проводите в спальне, 8% времени – на кухне, и 2% времени в санузле, то вашей орбиталью можно считать спальню и кухню, так как вероятность обнаружить вас в санузле очень низкая. Проведя 100 наблюдений за вами в разные моменты времени, наблюдатель, скорее всего, обнаружит вас в 90 случаях в спальне, и в 8 случаях – на кухне. И по этим цифрам придет к выводу об ареале вашего обитания.

    Теперь о том, почему невозможно одновременно определить место электрона в пространстве и его скорость, и направление движения. Тут еще проще. Дело в том, что скорость можно измерить только на некотором отрезке пройденного пути. Разделив длину этого отрезка на время, за которое он пройден, мы можем узнать скорость движения. Но ведь мы не можем считать местом расположения тела отрезок пространства. Место – это точная координата тела.

    Представьте себе, что в темной комнате летает муха. Осветив комнату очень короткой вспышкой света, мы можем увидеть место, в котором муха находится в данный момент. Но чтобы понять то, куда и с какой скоростью она летит, нам придется включить свет на более длительное время. Тогда мы увидим изменение положения мухи с течением времени и сможем оценить скорость этого изменения. Но в этом случае мы уже не можем указать точное место, в котором муха находилась во время измерения ее скорости, так как за это время она переместилась на некоторое расстояние. Вот и весь смысл принципа неопределенности.

    Электроны, перемещающиеся вокруг ядер атомов, очень быстро меняют скорость и направление движения, поэтому невозможно сказать точно, где они находятся в данный момент времени и куда движутся.

    А в модели, рассмотренной выше, электроны движутся, как стрелки в часах. И это не может не вызвать праведного гнева адептов Святой Неопределенности и Святой Вероятности.

    Однако то, что мы не можем точно сказать, где именно находится тот или иной электрон, и какому из атомов он «принадлежит» нисколько не меняет электростатического механизма связывания атомов. Невозможно связать два протона иначе, как разместив между ними электрон. Никакая вероятность или неопределенность не может соединить атомы в молекулу. И это отлично демонстрирует молекулярный ион водорода H2+. В этом ионе нет ни дублета электронов, ни компенсации спинов спаренных электронов, ни перекрытия электронных облаков, тем не менее, данный ион существует и он устойчив.

    К тому же, не стоит забывать то, что это всего лишь модель, и ее «объяснительные» возможности ограничены, как и возможности любых других моделей. Например, она (вроде бы) не объясняет, почему атомы водорода не могут соединяться в длинные цепи типа H3, H4 и т.д.

    Впрочем, можно предположить, что из-за того, что электронные орбитали в молекулах водорода смещены к центру молекулы, они не «высовываются» из ее концов, и поэтому соседние молекулы водорода не имеют возможности прицепиться друг к другу, используя механизм синхронизации электронов.


    Какая сила удерживает вместе атомы в молекуле вещества и почему они не разбегаются в разные стороны? Эта сила называется химической связью, школьники узнают о ней в 8 классе. Еще Ньютон предположил, что она имеет электростатическую природу, но подробнее в этом разобрались лишь в начале ХХ века. Сейчас расскажем, что такое химическая связь и какой она бывает.

    О чем эта статья:

    Химическая связь и строение вещества

    Химическая связь — это взаимодействие между атомами в молекуле вещества, в ходе которого два электрона (по одному от каждого атома) образуют общую электронную пару либо электрон переходит от одного атома к другому.

    Как понятно из определения химической связи, при взаимодействии двух атомов один из них может притянуть к себе внешние электроны другого. Эта способность называется электроотрицательностью (ЭО). Атом с более высокой электроотрицательностью (ЭО) при образовании химической связи с другим атомом может вызвать смещение к себе общей электронной пары.

    Существует несколько систем измерения ЭО, но пользоваться для расчетов можно любой из них. Для образования химической связи важно не конкретное значение ЭО, а разница между этими показателями у двух атомов.

    Механизм образования химической ковалентной связи

    Существует два механизма взаимодействия атомов:

    обменный — предполагает выделение по одному внешнему электрону от каждого атома и соединение их в общую пару;

    донорно-акцепторный — происходит, когда один атом (донор) выделяет два электрона, а второй атом (акцептор) принимает их на свою свободную орбиталь.

    Независимо от механизма химическая связь между атомами сопровождается выделением энергии. Чем выше ЭО атомов, т. е. их способность притягивать электроны, тем сильнее и этот энергетический всплеск.

    Энергией связи называют ту энергию, которая выделяется при взаимодействии атомов. Она определяет прочность химической связи и по величине равна усилию, необходимому для ее разрыва.

    Также на прочность влияют следующие показатели:

    Длина связи — расстояние между ядрами атомов. С уменьшением этого расстояния растет энергия связи и увеличивается ее прочность.

    Кратность связи — количество электронных пар, появившихся при взаимодействии атомов. Чем больше это число, тем выше энергия и, соответственно, прочность связи.

    На примере химической связи в молекуле водорода посмотрим, как меняется энергия системы при сокращении расстояния между ядрами атомов. По мере сближения ядер электронные орбитали этих атомов начинают перекрывать друг друга, в итоге появляется общая молекулярная орбиталь. Неспаренные электроны через области перекрывания смещаются от одного атома в сторону другого, возникают общие электронные пары. Все это сопровождается нарастающим выделением энергии. Сближение происходит до тех пор, пока силу притяжения не компенсирует сила отталкивания одноименных зарядов.

    Зависимость энергии системы от расстояния между ядрами атомов

    Основные типы химических связей

    Различают четыре вида связей в химии: ковалентную, ионную, металлическую и водородную. Но в чистом виде они встречаются редко, обычно имеет место наложение нескольких типов химических связей. Например, в молекуле фосфата аммония (NH4)3PO4присутствует одновременно ионная связь между ионами и ковалентная связь внутри ионов.

    Также отметим, что при образовании кристалла от типа связи между частицами зависит, какой будет кристаллическая решетка. Влияя на тип кристаллической решетки, химическая связь определяет и физические свойства вещества: твердость, летучесть, температуру плавления и т. д.

    Основные характеристики химической связи:

    насыщенность — ограничение по количеству образуемых связей из-за конечного числа неспаренных электронов;

    полярность — неравномерная электронная плотность между атомами и смещение общей пары электронов к одному из них;

    направленность — ориентация связи в пространстве, расположение орбиталей атомов под определенным углом друг к другу.

    Ковалентная связь

    Как уже говорилось выше, этот тип связи имеет два механизма образования: обменный и донорно-акцепторный. При обменном механизме объединяются в пару свободные электроны двух атомов, а при донорно-акцепторном — пара электронов одного из атомов смещается к другому на его свободную орбиталь.

    Ковалентная связь — это процесс взаимодействия между атомами с одинаковыми или близкими радиусами, при котором возникает общая электронная пара. Если эта пара принадлежит в равной мере обоим взаимодействующим атомам — это неполярная связь, а если она смещается к одному из них — это полярная связь.

    Как вы помните, сила притяжения электронов определяется электроотрицательностью атома. Если у двух атомов она одинакова, между ними будет неполярная связь, а если один из атомов имеет большую ЭО — к нему сместится общая электронная пара и получится полярная химическая связь.

    В зависимости от того, сколько получилось электронных пар, химические связи могут быть одинарными, двойными или тройными.

    Ковалентная неполярная связь образуется в молекулах простых веществ, неметаллов с одинаковой ЭО: Cl2, O2, N2, F2 и других.

    Посмотрим на схему образования этой химической связи. У атомов водорода есть по одному внешнему электрону, которые и образуют общую пару.

    Схема образования ковалентной неполярной связи

    Ковалентная полярная связь характерна для неметаллов с разным уровнем ЭО: HCl, NH3,HBr, H2O, H2S и других.

    Посмотрим схему такой связи в молекуле хлороводорода. У водорода имеется один свободный электрон, а у хлора — семь. Таким образом, всего есть два неспаренных электрона, которые соединяются в общую пару. Поскольку в данном случае ЭО выше у хлора, эта пара смещается к нему.

    Схема образования ковалентной полярной связи

    Другой пример — молекула сероводорода H2S. В данном случае мы видим, что каждый атом водорода имеет по одной химической связи, в то время как атом серы — две. Количество связей определяет валентность атома в конкретном соединении, поэтому валентность серы в сероводороде — II.

    Схема образования ковалентной полярной связи на примере сероводорода

    Число связей, которые могут быть у атома в молекуле вещества, называется валентностью.

    Характеристики ковалентной связи:

    Примеры ковалентных связей

    Ионная связь

    Как понятно из названия, данный тип связи основан на взаимном притяжении ионов с противоположными зарядами. Он возможен между веществами с большой разницей ЭО — металлом и неметаллом. Механизм таков: один из атомов отдает свои электроны другому атому и заряжается положительно. Второй атом принимает электроны на свободную орбиталь и получает отрицательный заряд. В результате этого процесса образуются ионы.

    Ионная связь — это такое взаимодействие между атомами в молекуле вещества, итогом которого становится образование и взаимное притяжение ионов.

    Разноименно заряженные ионы стремятся друг к другу за счет кулоновского притяжения, которое одинаково направлено во все стороны. Благодаря этому притяжению образуются ионные кристаллы, в решетке которых заряды ионов чередуются. У каждого иона есть определенное количество ближайших соседей — оно называется координационным числом.

    Обычно ионная связь появляется между атомами металла и неметалла в таких соединениях, как NaF, CaCl2, BaO, NaCl, MgF2, RbI и других. Ниже схема ионной связи в молекуле хлорида натрия.

    Схема образования ионной связи

    Все соли образованы с помощью ионных связей, поэтому в задачах, где нужно определить тип химической связи в веществах, в качестве подсказки можно использовать таблицу растворимости.

    Характеристики ионной связи:

    не имеет направленности.

    Ионная связь

    Ковалентная и ионная связь в целом похожи, и одну из них можно рассматривать, как крайнее выражение другой. Но все же между ними есть существенная разница. Сравним эти виды химических связей в таблице.

    Характеризуется появлением электронных пар, принадлежащих обоим атомам.

    Характеризуется появлением и взаимным притяжением ионов.

    Общая пара электронов испытывает притяжение со стороны обоих ядер атомов.

    Ионы с противоположными зарядами подвержены кулоновскому притяжению.

    Имеет направленность и насыщенность.

    Ненасыщенна и не имеет направленности.

    Количество связей, образуемых атомом, называется валентностью.

    Количество ближайших соседей атома называется координационным числом.

    Образуется между неметаллами с одинаковой или не сильно отличающейся ЭО.

    Образуется между металлами и неметаллами — веществами со значимо разной ЭО.

    Металлическая связь

    Отличительная особенность металлов в том, что их атомы имеют достаточно большие радиусы и легко отдают свои внешние электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы (катионы). В итоге получается кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы, а вокруг беспорядочно перемещаются электроны проводимости, образуя «электронное облако» или «электронный газ».

    Свободные электроны мигрируют от одного иона к другому, временно соединяясь с ними и снова отрываясь в свободное плавание. Этот механизм по своей природе имеет сходство с ковалентной связью, но взаимодействие происходит не между отдельными атомами, а в веществе.

    Металлическая связь — это взаимодействие положительных ионов металлов и отрицательно заряженных электронов, которые являются частью «электронного облака», рассеянного по всему объему вещества.

    Наличие такого «электронного облака», которое может прийти в направленное движение, обусловливает электропроводность металлов. Другие их качества — пластичность и ковкость, объясняются тем, что ионы в кристаллической решетке легко смещаются. Поэтому металл при ударном воздействии способен растягиваться, но не разрушаться.

    Металлическая связь

    Характеристики металлической связи:

    Металлическая связь присуща как простым веществам — таким как Na, Ba, Ag, Cu, так и сложным сплавам — например, AlCr2, CuAl11Fe4, Ca2Cu и другим.

    Схема металлической связи:

    Схема образования металлической связи

    M — металл,

    n — число свободных внешних электронов.

    К примеру, у железа в чистом виде на внешнем уровне есть два электрона, поэтому его схема металлической связи выглядит так:

    Связь в молекуле железа

    Обобщим все полученные знания. Таблица ниже описывает кратко химические связи и строение вещества.

    Типы химической связи

    Водородная связь

    Данный тип связи в химии стоит отдельно, поскольку он может быть как внутри молекулы, так и между молекулами. Как правило, у неорганических веществ эта связь происходит между молекулами.

    Водородная связь образуется между молекулами, содержащими водород. Точнее, между атомами водорода в этих молекулах и атомами с большей ЭО в других молекулах вещества.

    Объясним подробнее механизм этого вида химической связи. Есть молекулы А и В, содержащие водород. При этом в молекуле А есть электроотрицательные атомы, а в молекуле В водород имеет ковалентную полярную связь с другими электроотрицательными атомами. В этом случае между атомом водорода в молекуле В и электроотрицательным атомом в молекуле А образуется водородная связь.

    Графически водородная связь обозначается тремя точками. Ниже приведена схема такого взаимодействия на примере молекул воды.

    Схема образования водородной связи

    В отдельных случаях водородная связь может образоваться внутри молекулы. Это характерно для органических веществ: многоатомных спиртов, углеводов, белковых соединений и т. д.

    Характеристики водородной связи:

    Водородная связь

    Кратко о химических связях

    Итак, самое главное. Химической связью называют взаимодействие атомов, причиной которого является стремление системы приобрести устойчивое состояние. Во время взаимодействия свободные внешние электроны атомов объединяются в пары либо внешний электрон одного атома переходит к другому.

    Образование химической связи сопровождается выделением энергии. Эта энергия растет с увеличением количества образованных электронных пар и с сокращением расстояния между ядрами атомов.

    Основные виды химических связей: ковалентная (полярная и неполярная), ионная, металлическая и водородная. В отличие от всех остальных водородная ближе к молекулярным связям, поскольку может быть как внутри молекулы, так и между разными молекулами.

    Как определить тип химической связи:

    Ковалентная полярная связь образуется в молекулах неметаллов между атомами со сходной ЭО.

    Ковалентная неполярная связь имеет место между атомами с разной ЭО.

    Ионная связь ведет к образованию и взаимному притяжению ионов. Она происходит между атомами металла и неметалла.

    Металлическая связь бывает только между атомами металлов. Это взаимодействие положительных ионов в кристаллической решетке и свободных отрицательных электронов. Масса рассеянных по всему объему свободных электронов представляет собой «электронное облако».

    Водородная связь появляется при условии, что есть атом с высокой ЭО и атом водорода, связанный с другой электроотрицательной частицей ковалентной связью.

    Химическая связь и строение молекулы: типом химической связи определяется кристаллическая решетка вещества: ионная, металлическая, атомная или молекулярная.

    Читайте также: