Далеко не последнюю роль на химическом уровне организации мира играет способ связи структурных частиц, соединения между собой. Подавляющее число простых веществ, а именно неметаллов, имеют ковалентный неполярный тип связи, за исключением инертных газов. Металлы в чистом виде имею особый способ связи, который реализуется с помощью обобществления свободных электронов в кристаллической решетке.
Все сложные вещества (кроме некоторых органических) имеют ковалентные полярные химические связи. Виды и примеры этих соединений будут рассмотрены ниже. А пока необходимо выяснить, какая характеристика атома влияет на поляризацию связи.
Электроотрицательность
Атомы, а точнее говоря их ядра (которые, как мы знаем, заряжены положительно), имеют способность притягивать и удерживать электронную плотность, в частности, при образовании химической связи. Это свойство было названо электроотрицательностью. В таблице Менделеева её величина растёт в периодах и главных подгруппах элементов. Значение электроотрицательности не всегда постоянно и может меняться, например, при изменении типа гибридизации, в которую вступают атомные орбитали.
Химические связи, виды и примеры которых будут указаны ниже, а точнее, локализация или частичное смещение этих связей к одному из участников связывания, объясняется именно электроотрицательной характеристикой того или иного элемента. Смещение происходит к тому атому, у которого она сильнее.
Ковалентная неполярная связь
«Формула» ковалентной неполярной связи проста – два атома одинаковой природы объединяют в совместную пару электроны своих валентных оболочек. Такая пара называется поделённой потому, что в равной степени принадлежит обоим участникам связывания. Именно благодаря обобществлению электронной плотности в виде пары электронов, атомы переходят в более стабильное состояние, так как завершают свой внешний электронный уровень, а «октет» (или «дуплет» в случае простого вещества водорода Н2, у него единственная s-орбиталь, для завершения которой нужно два электрона) – это состояние внешнего уровня, к которому стремятся все атомы, так как его заполнение соответствует состоянию с минимальной энергией.
Пример неполярной ковалентной связи есть в неорганике и, как бы странно это ни звучало, но и в органической химии тоже. Такой тип связи присущ всем простым веществам - неметаллам, кроме благородных газов, так как валентный уровень атома инертного газа уже завершен и имеет октет электронов, а значит, связывание с подобным себе для него не имеет смысла и даже менее энергетически выгодно. В органике неполярность встречается в отдельных молекулах определённой структуры и носит условный характер.
Ковалентная полярная связь
Пример неполярной ковалентной связи ограничивается несколькими молекулами простого вещества, в то время как соединений диполей, в которых электронная плотность частично смещена в сторону более электроотрицательного элемента, - подавляющее большинство. Любое соединение атомов с разной величиной электроотрицательности даёт полярную связь. В частности, связи в органике – это ковалентные полярные связи. Иногда ионные, неорганические оксиды также являются полярными, а в солях и кислотах преобладает ионный тип связывания.
Как крайний случай полярного связывания иногда рассматривают и ионный тип соединений. В случае если электроотрицательность одного из элементов значительно выше, чем у другого, электронная пара полностью сдвигается от центра связи к нему. Так происходит разделение на ионы. Тот, кто забирает электронную пару, превращается в анион и получает отрицательный заряд, а теряющий электрон – превращается в катион и становиться положительным.
Примеры неорганических веществ с ковалентным неполярным типом связи
Вещества с ковалентной неполярной связью – это, например, все бинарные молекулы газов: водород (Н – Н), кислород (О = О), азот (в его молекуле 2 атома связаны тройной связью (N ≡ N)); жидкостей и твёрдых веществ: хлора (Cl – Cl), фтор (F – F), бром (Br – Br), йод (I – I). А также сложные вещества, состоящие из атомов различных элементов, но с фактическим одинаковым значением электроотрицательности, например, гидрид фосфора – РН3.
Органика и неполярное связывание
Предельно ясно, что все органические вещества сложные. Встаёт вопрос, как же в сложном веществе может быть неполярная связь? Ответ довольно прост, если немного логически поразмыслить. Если значения электроотрицательности связанных элементов различаются незначительно и не создают дипольного момента в соединении, такую связь можно считать неполярной. Именно такая ситуация с углеродом и водородом: все С – Н связи в органике считаются неполярными.
Пример неполярной ковалентной связи - молекула метана, простейшего органического соединения. Она состоит из одного атома углерода, который, согласно своей валентности, связан одинарными связями с четырьмя атомами водорода. По сути, молекула не является диполем, так как в ней нет локализации зарядов, в чем-то и за счёт тетраэдрического строения. Электронная плотность распределена равномерно.
Пример неполярной ковалентной связи есть и в более сложных органических соединениях. Реализуется он за счёт мезомерных эффектов, то есть последовательного оттягивания электронной плотности, которое быстро угасает по углеродной цепи. Так, в молекуле гексахлорэтана связь С – С неполярная за счёт равномерного оттягивания электронной плотности шестью атомами хлора.
Прочие типы связей
Кроме ковалентной связи, которая, кстати, может осуществляться и по донорно-акцепторному механизму, имеют место ионная, металлическая и водородная связи. Краткие характеристики предпоследних двух представлены выше.
Водородная связь – это межмолекулярное электростатическое взаимодействие, которое наблюдается, если в молекуле есть атом гидрогена и любой другой, имеющий неподелённые электронные пары. Этот тип связывания гораздо слабее, чем остальные, но за счёт того, что в веществе этих связей может образоваться очень много, вносит значительный вклад в свойства соединения.
