ХИМИЯ

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

В атомах элементов-металлов есть одна важная особенность: валентных электронов намного меньше, чем свободных орбиталей. Это создает условия для свободного перемещения электронов по орбиталям разных атомов одного и того же металла. Вследствие невысокой энергии ионизации атомы металла легко воздействуют на соседние аналогичные атомы, перетягивая к себе их электроны, которые тут же могут быть либо оттянуты обратно, либо могут перейти к другому соседнему атому. Таким образом, внутри образца металла происходит непрерывное движение электронов от атома к атому. Электроны как бы становятся одновременно общими для всех атомов. Это движение электронов хаотично, а согласованно может происходить лишь при создании разности потенциалов между точками металла. Этим и можно объяснить электрическую проводимость металлов.

Следовательно, для металлов характерна химическая связь, основанная на обобществлении валентных электронов, принадлежащих не двум, а практически всем атомам в кристалле. Такая связь называется металлической.

В отличие от ковалентных и ионных соединений в металлах сравнительно небольшое число электронов одновременно связывает множество атомных ядер. Эта особенность в распределении электронов называется делокализацией. Поэтому в металлах химическая связь делокализована.

Такой тип связи характерен для твердого и жидкого состояний, а в газообразном - атомы металлов связаны между собой только ковалентной связью (Li2, Cu2 и т. д.).

МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ

Существование веществ в различных агрегатных состояниях свидетельствует о том, что между частицами (атомами, ионами, молекулами) имеет место взаимодействие, обусловленное ван-дер-ваальсовыми силами притяжения. Они названы, в честь голландского физика Ван-дер-Ваальса (1837-1923), который предложил уравнение состояния газов, учитывающего межмолекулярное взаимодействие.

Наиболее важной и отличительной чертой ван-дер-ваальсовых сил является их универсальность, так как они действуют без исключения между всеми атомами и молекулами.

Исходя из современных представлений о строении атома, можно обосновать невозможность существования гипотетической молекулы Не2, однако это еще не говорит о том, что между атомами гелия вообще отсутствует всякое взаимодействие, Так как гелий и вообще благородные газы удается перевести в жидкое и даже твердое состояние, то уже это свидетельствует о наличии между атомами благородных газов сил притяжения. Чрезвычайно низкие температуры, необходимые для перевода благородных газов в жидкое состояние, подтверждают, что эти силы весьма незначительны.

Существует несколько объяснений природы ван-дер-ваальсовых сил, важнейшим из которых является электростатическое взаимодействие, которое основывается на том, что хотя атомы или молекулы в целом электронейтральны, все же в них вследствие орбитального движения электронов постоянно возникают мгновенные электрические дипольные моменты. Взаимодействие мгновенного и индуцированного дипольных моментов называется дисперсионным.

Существуют молекулы, обладающие постоянным электрическим дипольным моментом. Они могут взаимодействовать как с аналогичными молекулами, так и с неполярными, но способными к поляризации. Это явление называется ориентационным взаимодействием.

Если полярная и неполярная молекулы приходят в соприкосновение, то под влиянием полярной молекулы неполярная поляризуется и в ней возникает (индуцируется) диполь. Индуцированный диполь притягивается к постоянному диполю полярной молекулы. Такое взаимодействие называется индукционным.

Рассмотренные типы взаимодействия относятся к электростатическому взаимодействию.

Одной из разновидностей взаимодействия между полярными молекулами является водородная связь. Данная связь формируется между молекулами типа НХ, где X - F, О, N, C1, Вr, I или группа атомов, например, ОН. Связь между водородом и одним из этих атомов характеризуется достаточной полярностью, поскольку связующее электронное облако смещено в сторону более электроотрицательного атома. Водород в данном случае расположен на положительном конце диполя. Два и более таких диполей взаимодействуют между собой так, что ядро атома водорода одной молекулы (положительный конец диполя) притягивается неподеленной электронной парой второй молекулы.

Рассмотрим образование водородной связи на примере воды. Здесь водород оказывается одновременно стянутым к кислороду второй молекулы; водород второй молекулы стянут к кислороду третьей молекулы и т д.:

Водородную связь обозначают тремя точками.

Рассмотренный на примере воды вид водородной связи называется межмолекулярной водородной связью.

Образование водородных связей играет важную роль, как в химических, так и в биологических системах. Существование водородных связей в воде чрезвычайно важно для биологических процессов, так как свойства воды (температура кипения и кристаллизации) в значительной мере определяются наличием системы связей О-Н .О-Н. Благодаря водородным связям вода имеет температуру кипения гораздо выше, чем следовало бы ожидать по ее молекулярной массе, а температура плавления воды почти на 200° С превышает ожидаемую на основании ее молекулярной массы.