Симметричная красота кристаллов льда, яркий блеск граней алмаза обусловлены типом связей между атомами этих веществ. Свойства веществ, их реакции с другими веществами определяются типом связей (см. так же статью «Химические реакции«) между атомами. Химические связи — сложная тема, и чтобы понять ее, необходимо иметь представление о структуре атома.
Связи и структура атома
Атомы стремятся к стабильности, а для этого им нужна связь с другими атомами. Атом стабилен, когда его внешний энергетический слой (электронная оболочка) заполнен. В атоме аргона внешний уровень полностью заполнен. Атом стабилен и потому не образует связей с другими атомами. У большинства атомов несколько электронных оболочек. На первой оболочке могут находиться 2 электрона, на второй и третьей — по 8, хотя атомы некоторых элементов в соединениях могут иметь на третьем уровне до 18 электронов. Когда оболочка заполнена, электроны начинают заполнять следующую. Расположение электронов вокруг ядра называется электронной конфигурацией. Электронная конфигурация записывается в виде последовательности чисел после символа элемента. Чтобы заполнить внешнюю оболочку, атом вступает в совместное владение электронами с другими атомами (образует ковалентные или металлические связи), забирает у них электроны или отдает свои (образуют ионную связь).
Ковалентная связь
Ковалентная связь возникает тогда, когда атомы получают электроны в «совместное владение». Так, у атома водорода один электрон, а в молекуле водорода у двух атомов два общих электрона, и энергетические оболочки атомов заполнены. И в молекуле углекислого газа атомы соединены ковалентной связью, при этом каждый атом предоставляет по два электрона для связи с партнером. Такая связь называется двойной.
В неметаллах и соединениях, состоящих исключительно из неметаллов, обычно возникают ковалентные связи. В большинстве ковалентных соединений атомы соединяются в молекулы. Если ковалентные связи между атомами в молекуле сильны, то взаимодействие молекул значительно слабее. Из-за этого ковалентные соединения обычно плавятся и кипят при довольно низкой температуре, и многие из них в нормальных условиях являются жидкостями или газами. Модели оболочек помогают понять, химическое поведение атомов, но на самом деле атомы устроены несколько иначе, и положение электронов невозможно зафиксировать в точности.
Многие ковалентные соединения не только легко плавятся и кипят, но и не растворяются в воде (например, нефть) и не проводят электричества (исключение — графит). Лед — это вода в твердом состоянии. Нагревание ослабляет взаимное притяжение молекул воды, и от того лёд тает. Некоторые ковалентные элементы (например, углерод) и многие ковалентные соединения состоят не из отдельных молекул. Каждый атом имеет ковалентную связь с соседним, и все они образуют гигантскую, чрезвычайно прочную молекулу. Такие вещества плавятся лишь при очень высокой температуры. В огромной молекуле диоксида кремния все атомы кремния связаны с тремя атомами кислорода позади и ещё с одним — сверху.
Ионные связи
Ионные связи создают атомы, отдающие или принимающие электроны. Ионные связи возникают в соединениях металла с неметаллом. Атомы металла отдают электроны со своей внешней оболочки на внешнюю оболочку атома неметалла. Атом, утративший или принявший электрон, называют ионом. Ион имеет электрический заряд, т.к. число положительно заряженных протонов не равно числу отрицательно заряженных электронов. Атом, утративший электрон, заряжен положительно и называется катионом. Атомы, присоединившие электроны, становятся анионами. Анион заряжен отрицательно, так как у него электронов больше, чем протонов.
Величина заряда записывается после названия иона. Например, запись Na+ означает, что натрий потерял один электрон, Сl- означает атом хлора, присоединивший электрон, а О2 говорит о том, что атом кислорода получил два отрицательно заряженных электрона. Ионы с противоположными зарядами притягиваются друг к другу, и возникает ионная связь между атомами. Ионные соединения состоят не из отдельных молекул. Все ионы вместе образуют кристаллическую решетку. Например, ионы натрия и хлора объединяются и образуют хлорид натрия – поваренную соль.
Связи между ионами сильны, поэтому ионные соединения плавятся и закипают при высокой температуре, а при комнатной температуре остаются твердыми. Многие ионные соединения растворяются в воде, но не растворяются в органических растворителях, например в маслах. В растворе ионы способны свободно передвигаться, поэтому такие растворы проводят электрический ток. Их называют электролитами.
Металлическая связь
Металлическая связь встречается в соединениях металлов. Катионы (атомы, потерявшие электроны и получившие положительный заряд) образуют металлическую решетку, в которой свободно перемещаются электроны. Силы, действующие между электронами и катионами, значительны, поэтому большинство металлов плавится только при высокой температуре, а благодаря свободным электронам металлы проводят тепло и электрический ток.
Валентность
Валентность — это число электронов, которые атом должен отдать или принять, чтобы завершить спою внешнюю оболочку. Сере недостает двух электронов. Валентность серы 2. Натрий должен отдать один электрон. Его валентность 1. Валентность обычно зависит от места элемента в периодической таблице. Так, элементы группы 1 должны отдать один электрон, и их валентность равна 1. Элементы группы 2 должны отдать 2 электрона, и их валентность 2. Элементы групп 5, 6 и 7 должны приобрести электроны, и их валентность равна соответственно 3, 2 и 1. У фтора (7-я группа) на внешней оболочке 7 электронов. Для заполнения внешней оболочки фтору нужен 1 электрон, и его валентность равна 1. Фосфор (5-я группа) имеет 5 электронов на внешней оболочке, и для заполнения ему нужны еще 3. Валентность фосфора 3. Валентность иона равна величине заряда. К примеру, оксид-ион (О2-) имеет отрицательный заряд 2, и его валентность 2. Некоторые элементы, например железо, могут образовывать разные ионы (Fе2+ и Fе3+). Такие элементы обладают разной валентностью. Римские цифры после названия иона, например железо (II) и железо (III), указывают валентность.
Аллотропные модификации
Некоторые элементы встречаются в разных физических модификациях, в которых их атомы по-разному связаны между собой. Алмаз и графит — аллотропные модификации углерода. В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя другими. Все атомы плотно уложены, поэтому алмаз очень тверд. В графите каждый атом связан с тремя другими. Атомы образуют слои, связи между которыми слабы. Этим объясняется мягкость графита. У углерода есть третья модификация — фуллерен. В нем 60 атомов связаны между собой и образуют сферу. Аллотропные модификации есть и у других элементов, в том числе у фосфора и серы. Сотрудники Аи-Би-Эм создали этого «молекулярного человечка», соединив 28 молекул моноксида углерода. Если 20 000 таких «человечков» «возьмутся за руки», то ширина цепочки будет равна толщине волоса.
На более сложном уровне природу химической связи мы рассмотрели в этой статье