Что такое химическая связь?

Химическая связь происходит, когда два или более атомов соединяются вместе, образуя молекулу. В науке общепринятым принципом является то, что все системы будут пытаться достичь своего самого низкого энергетического уровня, и химическая связь будет иметь место только тогда, когда может образоваться молекула с меньшей энергией, чем у несвязанных атомов. Три основных типа связи - ионная, ковалентная и металлическая. Все они включают электроны, движущиеся между атомами по-разному. Другой, гораздо более слабый тип - водородная связь.

Атомная структура

Атомы состоят из ядра, содержащего положительно заряженные протоны, которое окружено равным количеством отрицательно заряженных электронов. Поэтому обычно они электрически нейтральны. Однако атом может потерять или получить один или несколько электронов, что дает ему положительный или отрицательный заряд. Когда у человека есть электрический заряд, он называется ионом.

Это электроны, которые участвуют в химической связи. Эти частицы сгруппированы в оболочки, которые можно считать существующими на растущих расстояниях от ядра. Как правило, чем дальше от ядра находятся оболочки, тем больше энергии у них есть. Существует ограничение на количество электронов, которые могут занимать оболочку. Например, первая, самая внутренняя оболочка имеет ограничение в два, а следующая оболочка - в восемь.

В большинстве случаев в связывании участвуют только электроны в самой внешней оболочке. Их часто называют валентными электронами . Как правило, атомы будут стремиться соединяться друг с другом таким образом, чтобы все они достигли полных внешних оболочек, поскольку эти конфигурации обычно имеют меньше энергии. Группа элементов, известных как благородные газы - гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон - уже имеют полные внешние оболочки, и из-за этого они обычно не образуют химических связей. Другие элементы обычно пытаются создать структуру благородного газа, отдавая, принимая или делясь электронами с другими атомами.

Химические связи иногда представляют собой нечто, называемое структурой Льюиса , названное в честь американского химика Гилберта Н. Льюиса. В структуре Льюиса валентные электроны представлены точками за пределами химических символов для элементов в молекуле. Они ясно показывают, где электроны перешли от одного атома к другому и где они распределены между атомами.

Ионная связь

Этот тип химической связи происходит между металлами, которые легко отдают электроны, и неметаллами, которые стремятся их принять. Металл отдает электроны в своей неполной внешней оболочке неметаллу, оставляя эту оболочку пустой, так что полная оболочка внизу становится его новой внешней оболочкой. Неметалл принимает электроны, чтобы заполнить свою неполную внешнюю оболочку. Таким образом, оба атома достигли полных внешних оболочек. Это оставляет металл с положительным зарядом и неметалл с отрицательным зарядом, так что это положительные и отрицательные ионы, которые притягивают друг друга.

Простой пример - фторид натрия. Натрий имеет три оболочки, с одним валентным электроном во внешней части. Фтор имеет две оболочки, с семью электронами в самой внешней части. Натрий отдает свой один валентный электрон атому фтора, поэтому у натрия теперь есть две полные оболочки и положительный заряд, а у фтора две полные оболочки и отрицательный заряд. Получающаяся молекула - фторид натрия - имеет два атома с полными внешними оболочками, связанными друг с другом электрическим притяжением.

Ковалентная связь

Атомы неметаллов соединяются друг с другом, разделяя электроны таким образом, что они понижают свой общий уровень энергии. Обычно это означает, что в сочетании все они имеют полные внешние оболочки. Чтобы взять простой пример, водород имеет только один электрон в своей первой и единственной оболочке, что оставляет ему один недостаток полной оболочки. Два атома водорода могут поделиться своими электронами, чтобы сформировать молекулу, в которой оба имеют полную внешнюю оболочку.

Часто можно предсказать, как атомы будут соединяться друг с другом из числа электронов, которые они имеют. Например, у углерода есть шесть, что означает, что у него есть первая полная оболочка из двух и самая внешняя оболочка из четырех, что делает его на четыре меньше полной внешней оболочки. Кислород имеет восемь, и поэтому имеет шесть в своей внешней оболочке - два, за исключением полной оболочки. Атом углерода может соединяться с двумя атомами кислорода с образованием диоксида углерода, в котором углерод делится своими четырьмя электронами, по два с каждым атомом кислорода, и каждый из атомов кислорода, в свою очередь, разделяет два своих электрона с атомом углерода. Таким образом, все три атома имеют полные внешние оболочки, содержащие восемь электронов.

Металлическое соединение

В куске металла валентные электроны более или менее свободно перемещаются, а не принадлежат отдельным атомам. Следовательно, металл состоит из положительно заряженных ионов, окруженных подвижными отрицательно заряженными электронами. Ионы могут перемещаться относительно легко, но их трудно отделить из-за их притяжения к электронам. Это объясняет, почему металлы обычно легко гнуть, но их трудно сломать. Подвижность электронов также объясняет, почему металлы являются хорошими проводниками электричества.

Водородная связь

В отличие от приведенных выше примеров, водородная связь включает связь между молекулами, а не внутри. Когда водород соединяется с элементом, который сильно притягивает электроны, например, фтором или кислородом, электроны отрываются от водорода. Это приводит к молекуле с общим положительным зарядом с одной стороны и отрицательным зарядом с другой. В жидкости положительные и отрицательные стороны притягиваются друг к другу, образуя связи между молекулами.

Хотя эти связи намного слабее, чем ионные, ковалентные или металлические связи, они очень важны. Водородная связь происходит в воде, соединении, содержащем два атома водорода и один из кислорода. Это означает, что для преобразования жидкой воды в газ требуется больше энергии, чем в противном случае. Без водородной связи вода имела бы гораздо более низкую температуру кипения и не могла бы существовать на Земле в виде жидкости.