Ковалентная связь

Кристаллы с ионной связью, состоящие из разнозаряженных частиц, называют гетерополярными соединениями. Однако кристаллические решетки образуются и за счет незаряженных частиц. Такие соединения называют гомеополярными, а химическую связь между частицами (атомами) — ковалентной. Образование ковалентной связи между незаряженными атомами можно представить как обобществление электронов и образование электронной пары (или пар), общей для обоих атомов, например:

Н:Н : F: F ::N:::N:

Водород Н2 Фтор F2 Азот N2

Теория ковалентной связи достаточно сложна. В образовании ковалентной химической связи учитывается орбитальное расположение электронов. Атомные орбиты имеют определенную форму, их перекрывание при взаимодействии двух атомов создает также определенную направленность ковалентной связи. В зависимости от направления перекрывания атомных орбиталей различают о-, л- и б-связи.

При обозначении структуры атома указывают оболочки электронов (s-,p~, J-оболочки) и количество электронов на орбите внешней, незаконченной оболочки как имеющие наиболее важное значение в обеспечении свойств атома (табл. 8).

Из таблицы видно, что в элементарной тетраэдрической группе [SiO4] наблюдается постоянство угла между связями Si-O (-109°), исходя из тетраэдрического расположения в пространстве хр3-гибридных орбиталей атомов кремния. По сравнению с большинством металлов, входящих в сложные силикаты, кремний имеет наибольшую электроотрицательность, поэтому, как правило, степень ионной связи металла с кислородом оказывается большей, чем кремния с кислородом.

Таблица 8

Электронные конфигурации атомов Si, Al и О и их тип гибридизации

Элемент

Электронная конфигурация

Группировка

Тип гибридизации

Пространственное расположение орбиталей

О

ls22s22p4

sp

Линейное

Si

s22s22p63s23p2

[SiO4]

sp3

Тетраэдр

Al

ls22s22p63s23p'

[А1О4]

sp3

Тетраэдр

[АЮ6]

sp2d2

Октаэдр

Особую роль в силикатах играет алюминий с sp3- и sp^-гибридизацией. В первом случае это соответствует тетраэдрическому, а во втором — октаэдрическому расположению связей с образованием групп [A1OJ и [А1О6], встречающихся в алюмосиликатах. В образовании связи Al-О принимает участие и донорно-акцепторный механизм, обусловленный передачей спаренных электронов кислорода на вакантные р-орбитали атома алюминия. Поскольку электроотрицательность алюминия меньше, чем кремния, связь Al-О, по сравнению со связью Si-O, имеет большую степень ионности (до 63 % при 50 % для кремния).

Водородная и металлическая связь

Водородная связь возникает между положительно заряженными атомами водорода и отрицательно заряженными атомами кислорода, фтора или азота. Положительно поляризованный атом водорода обладает уникальными свойствами: очень малым размером и отсутствием внутренних электронных оболочек. Поэтому он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Между двумя молекулами возникает взаимодействие, которое имеет частично электростатический (ионный характер связи) и частично донорно-акцепторный (ковалентный) характер.

Например, в молекуле H-F электронная пара смещена к атому фтора, и возникает водородная связь:

H2+F2-*H F или [H+F]„

Наличием водородной связи обусловлено уникальное свойство воды, молекулы которой образуют ассоциаты [Н2О]„.

Энергия водородной связи составляет 8—40 кДж/моль, что значительно меньше энергии ионной и ковалентной связи.

Для описания металлической связи используют «модель свободного электрона». Согласно этой модели, в узлах кристаллической решетки металла находятся плотно упакованные положительно заряженные ионы металла, «погруженные» в электронный газ из нело-кализованных валентных электронов. В этих условиях валентный электрон с небольшой энергией ионизации свободно перемещается по орбиталям всех соседних атомов, обеспечивая связь между ними. Устойчивость кристалла обеспечивается силами притяжения между положительно заряженными ионами и электронным газом. Движение электронного газа подчиняется классическим законам перемещения частиц идеального газа. Металлическую связь проявляют элементы, имеющие небольшое число валентных электронов с большим числом незаконченных внешних орбиталей. Металлы составляют 4/5 всех известных элементов таблицы Д. И. Менделеева. Широко применяются в строительстве такие металлы, как Al, Fe, а также их сплавы.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >