Виды химической связи

Химическая связь — взаимодействие атомов, при котором энергия системы понижается. По природе связанных частиц различают четыре основных вида связи и особый межмолекулярный вид — водородную связь.

Вид связи зависит от того, насколько различаются соединяющиеся атомы по электроотрицательности. У одинаковых атомов общая пара находится посередине — связь неполярная; у разных атомов она смещена к более электроотрицательному, и на атомах возникают частичные заряды \(\delta+\) и \(\delta-\) — связь полярная; у типичного металла и типичного неметалла разность так велика, что электрон практически переходит от одного атома к другому, и образуются ионы. Ионную связь можно считать предельным случаем ковалентной полярной; граница между ними условна. Для задания 4 эту шкалу переводят в четыре правила:

1. атомы одного и того же неметалла — ковалентная неполярная связь: \(\ce{H2}\), \(\ce{Cl2}\), \(\ce{O2}\); \(\ce{O-O}\) в \(\ce{H2O2}\), \(\ce{C-C}\) в этане;
2. атомы разных неметаллов — ковалентная полярная связь: \(\ce{HCl}\), \(\ce{H2O}\), \(\ce{CO2}\), \(\ce{C-H}\) в метане (в демоверсиях метан назван веществом с ковалентной полярной связью, хотя электроотрицательности углерода и водорода близки);
3. атом типичного металла (или катион аммония) и атом неметалла (или кислотный остаток) — ионная связь: \(\ce{NaCl}\), \(\ce{CaO}\), \(\ce{K2SO4}\), \(\ce{NH4Cl}\);
4. атомы металла в простом веществе или сплаве — металлическая связь: \(\ce{Na}\), \(\ce{Fe}\), \(\ce{Cu}\). В соединениях металлов металлической связи нет, а в металлах нет ковалентных связей.

Где искать ковалентную неполярную связь. Она есть везде, где непосредственно связаны два одинаковых атома: в простых веществах-неметаллах (водород, азот, кислород, галогены, белый фосфор \(\ce{P4}\), сера \(\ce{S8}\), алмаз, графит, кремний, бор) и во фрагментах сложных веществ — \(\ce{O-O}\) в пероксиде водорода и пероксидах металлов \((\ce{O2^{2-}})\); \(\ce{C-C}\) в органических молекулах с двумя и более связанными атомами углерода; \(\ce{C#C}\) в ионе \(\ce{C2^{2-}}\) карбида кальция \(\ce{CaC2}\) и ацетиленида натрия; \(\ce{C-C}\) в органических ионах (этилат, фенолят, ацетат, бензоат, катион фениламмония). Обратное тоже важно: два атома углерода в формуле ещё не означают связи \(\ce{C-C}\). В диметиловом эфире \(\ce{CH3-O-CH3}\), метилформиате \(\ce{H-CO-O-CH3}\) и диметиламине \(\ce{CH3-NH-CH3}\) атомы углерода соединены через кислород или азот, и неполярных связей нет.

Где искать ковалентную полярную связь. Она есть в молекулах всех сложных веществ, образованных неметаллами, и внутри сложных ионов: \(\ce{O-H}\) в гидроксид-ионе, \(\ce{N-O}\) в нитрат-ионе, \(\ce{S-O}\) в сульфат-ионе, \(\ce{N-H}\) в катионе аммония. Её нет только в простых веществах и в бинарных ионных соединениях (\(\ce{NaCl}\), \(\ce{CaO}\), \(\ce{Na2S}\), \(\ce{Li3N}\), \(\ce{NaH}\)), а также в пероксидах и карбидах металлов, где связь внутри аниона неполярная. Кратность связи её вида не меняет: тройная связь в молекуле азота неполярная, двойная связь \(\ce{C=O}\) — полярная.

Донорно-акцепторный механизм. Один атом (донор) предоставляет неподелённую электронную пару, другой (акцептор) — свободную орбиталь. Доноры — атомы азота, кислорода, фтора с неподелённой парой (\(\ce{NH3}\), амины, \(\ce{H2O}\), \(\ce{OH-}\), \(\ce{F-}\)); акцепторы — \(\ce{H+}\), бор в \(\ce{BF3}\), катионы металлов. Классический пример — образование иона аммония \(\ce{NH3 + H+ -> NH4+}\): после образования все четыре связи \(\ce{N-H}\) одинаковы, механизм говорит о происхождении связи, а не об особом её виде. Так же образуются ион гидроксония \(\ce{H3O+}\) и катионы солей аминов \((\ce{CH3NH3+})\). Ещё донорно-акцепторная связь есть в угарном газе (третья связь \(\ce{C#O}\): \(\ce{O->C}\)), в озоне, в азотной кислоте и нитратах (азот 2-го периода образует четыре связи, одна из них \(\ce{N->O}\)), в комплексных частицах (\(\ce{[Al(OH)4]-}\), \(\ce{[Zn(OH)4]^{2-}}\), \(\ce{[Cu(NH3)4]^{2+}}\), \(\ce{[Ag(NH3)2]+}\)) и в \(\ce{BF3*NH3}\). В нитрит-ионе \(\ce{NO2-}\) азот образует три связи по обменному механизму — донорно-акцепторной связи там нет; нитрат и нитрит — частая ловушка. По заданиям ФИПИ нет донорно-акцепторных связей в гидроксидах, карбонатах, сульфитах, фосфатах, спиртах, аминах и альдегидах. Для серной кислоты и сульфатов, оксидов серы, хлоратов и перманганатов пособия расходятся (связи \(\ce{S-O}\) изображают то двойными, то донорно-акцепторными), поэтому в таких заданиях их избегают; в сульфате аммония донорно-акцепторная связь есть в любом случае — в катионе аммония.

Ионная связь не направленная и не насыщаемая: ион притягивает противоположно заряженные ионы со всех сторон, поэтому ионные вещества образуют не молекулы, а ионные кристаллы. Вещества из одних простых ионов — галогениды, оксиды, сульфиды, нитриды и гидриды активных металлов — содержат только ионную связь. В веществах со сложными ионами внутри иона остаются ковалентные связи:

• \(\ce{NaOH}\) — ионная и ковалентная полярная \(\ce{O-H}\); \(\ce{K2SO4}\), \(\ce{Na2CO3}\), \(\ce{Ca3(PO4)2}\) — ионная и ковалентная полярная;
• \(\ce{NH4Cl}\) — ионная и ковалентная полярная \(\ce{N-H}\), одна из связей — донорно-акцепторная; \(\ce{NaNO3}\) — ионная, ковалентная полярная и донорно-акцепторная \(\ce{N->O}\);
• \(\ce{Na2O2}\), \(\ce{BaO2}\) — ионная и ковалентная неполярная \(\ce{O-O}\), полярных связей нет; \(\ce{CaC2}\) — ионная и ковалентная неполярная \(\ce{C#C}\);
• \(\ce{CH3COONa}\) — ионная, ковалентная полярная (\(\ce{C-H}\), \(\ce{C-O}\)) и неполярная \(\ce{C-C}\).