Материя состоит из мельчайших частиц, невидимых человеческому глазу, которые называются атомы y молекулкоторые являются основными компонентами того, что мы сегодня знаем как материю.
Вышеупомянутые частицы обычно вступить в профсоюзный процесс который известен как химические связиХимия изучает их, чтобы понять тысячи биологических и физических процессов, которые ежедневно происходят у нас на глазах, но которые трудно заметить. Благодаря им мы поняли большинство событий, формирующих мир: от того, почему вода кипит при определенной температуре, до того, как металлы образуют устойчивые структуры или как молекулы живых организмов удерживаются вместе.
Что такое химические связи?
Все в мире, включая живые существа, такие как люди, состоит из атомов и молекул, которые соединяются друг с другом посредством процесса, известного как Химическая связьХорошо известно, что все живые организмы и даже инертные (неодушевленные предметы) состоят из материи, и это зависит от образования и стабильности химических связей.
Проще говоря, химическая связь — это сила, которая удерживает их вместе Между двумя или более атомами в молекуле или в твердой структуре. Эта сила может возникать из перенос электронаПо совместное использование электронов или в силу существования децентрализованные электронные облака которые свободно перемещаются между множеством атомов, как это происходит в металлах.
В зависимости от способа соединения атомов и молекул можно определить тип химической связи, и к наиболее распространенным относятся следующие: ионные связи, los ковалентный y los металлическийОднако существуют и другие типы взаимодействий, такие как: водородные связи и Силы Ван-дер-Ваальсакоторые имеют фундаментальное значение для понимания структуры таких важных веществ, как вода или белки.
Химические связи называются силы притяжения которые обеспечивают сохранение связи между двумя или более атомами в течение определенного времени и позволяют передавать, обмениваться или совместно использовать информацию. электроны между ними. Без этих связей атомы оставались бы изолированными, и молекулы и материалы в том виде, в каком мы их знаем, не существовали бы.
Процесс притяжения между двумя атомами довольно сложен, но при тщательном анализе его легко понять. Главное, что нужно знать, это то, что ядра Атомные ядра обладают положительным зарядом (протонами) и, следовательно, отталкиваются друг от друга. Однако вокруг этих ядер находятся... отрицательно заряженные электроныкоторая может притягиваться к нескольким ядрам одновременно. Когда притяжение между ядром и электронами другого атома компенсирует отталкивание между ядрами, образуется стабильная химическая связь.
Когда происходит процесс химической связи, обычно, если не почти всегда, некоторые атомы теряют электроны В то время как другие их зарабатывают или делят более или менее справедливо. В конце процесса можно наблюдать следующее: электрическая стабильность а также энергию, которая делает это соединение благоприятным, и то, что полученное вещество обладает определенными свойствами, такими как твердость, температура плавления, проводимость или растворимость.
Общая классификация и интуитивное представление о химических связях.
Хотя на продвинутом уровне можно выделить множество категорий и подтипов, в базовом образовании мы обычно говорим о три основных типа химических связей К основным типам связей относятся: ионные, ковалентные и металлические. Кроме того, рассматриваются и другие межмолекулярные взаимодействия, такие как... Водородные связи и Силы Ван-дер-Ваальсакоторые, хотя и слабее, имеют важное значение для структуры жидкостей, молекулярных твердых тел и биологических систем.
Возможно, вам пригодится своего рода "мнемонический" способ различать эти типы связей в зависимости от того, что происходит с электронами:
- Ковалентная связь: атомы обмениваться электронами друг с другом. Никто из них полностью не отказывается от них, а вместо этого образуется общая электронная пара.
- ионная связь: атом передает электроны друг к другу. Один теряет заряды (становится положительным), а другой приобретает их (становится отрицательным); притяжение между противоположными зарядами приводит к образованию связи.
- Металлическая связьэлектроны движутся свободно Между множеством металлических атомов образуется своего рода «электронное облако» или «море делокализованных электронов».
Исходя из этой общей идеи, можно уточнить множество деталей и свойств, что вы увидите в каждом типе связи.
5 типов химических связей
Будет показано следующее химические связи Наиболее важными являются некоторые из их характеристик, чтобы понять, как они работают и какую роль играют в окружающем нас мире.
Металлические ссылки
В этом типе ссылок можно увидеть, как создается ссылка. электронное облако Эта структура удерживает всю группу атомов вместе и образована свободными валентными электронами. Короче говоря, атомы металлов частично теряют свои внешние электроны, которые перестают принадлежать конкретному атому и становятся общими для всей металлической структуры.
В этом процессе можно наблюдать, как атомы превращаются в положительные ионы Погруженные в облако подвижных электронов, вместо обычного процесса обмена парой электронов между соседними атомами, делокализация электронов объясняет многие явления. характерные свойства металловнапример, благодаря высокой электро- и теплопроводности.
Металлические связи часто образуют сети, которые считаются кристаллическийЭти ионы металлов обладают высоким координационным числом. Это означает, что каждый ион металла окружен множеством других ионов в кристаллической решетке, расположенных в высокоупорядоченных и повторяющихся положениях, что приводит к образованию очень компактных структур.
На поверхностях этих сетей можно наблюдать три различных типа металлических кристаллических решеток, имеющих разные координационные точки, которые изменяются в зависимости от их расположения, в конечном итоге образуя 12 пунктов, 8 пунктов а в других случаях 6 пунктовОднако говорят, что уровень валентность металлических атомов Она всегда относительно мала, что облегчает делокализацию валентных электронов.
Благодаря этой уникальной структуре металлические связи объясняют, почему металлы:
- Шон хорошие водители электричество, поскольку электронное облако легко перемещается при приложении разности потенциалов.
- Испытывать эйфорию Теплопроводностьчто позволяет быстро распределять тепло.
- Шон податливый и пластичный (можно ламинировать или вытягивать в проволоку), потому что ионы металла могут скользить друг относительно друга, не разрушая кристалл, благодаря тому, что электронное облако продолжает поддерживать когезию.
- Презентен металлический блескпотому что делокализованные электроны взаимодействуют со светом характерным образом.
По этим причинам металлические связи лежат в основе многих технологических применений, от проводящих кабелей до строительных конструкций и электронных компонентов.
Ионные связи
Когда мы говорим о ионные связи Речь идёт о связи между атомами, обладающими низкой энергией ионизации или низкой электроотрицательностью (например, металлами), и другими атомами, обладающими гораздо более высокой электроотрицательностью (например, неметаллами). Обычно это происходит между... металл и неметалл.
Для этого один из атомов должен быть способен терять электроныи что другой может выиграть их последовательно. Металл отдает один или несколько электронов и становится положительным ионом (катион), в то время как неметалл принимает их и становится отрицательным ионом (анионТаким образом, эту связь можно описать как процесс, в котором два атома обладают электростатическое притяжение очень интенсивный процесс, в котором один из них участвует с большей склонностью к притяжению электронов, а другой — с меньшей.
Было показано, что многим неметаллическим элементам не хватает одного или нескольких электронов на валентной оболочке, чтобы иметь свои полная внешняя орбитаИменно поэтому они в процессе становятся рецепторами и называются анионами. Например, хлору нужен один электрон, чтобы завершить свой октет и образовать ион. Cl⁻.
Металлические элементы известны как катионы Потому что они обладают положительным зарядом, что противоположно заряду анионов. Поскольку у них обычно мало электронов на внешней оболочке, им «легко» их терять и достигать более стабильной конфигурации. Типичный пример — натрий, который теряет электрон и образует ион. На⁺который может связываться с Cl⁻, образуя хлорид натрия (поваренная соль).
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что в этом типе химической связи атомы притягиваются друг к другу. интенсивная электростатическая силаТаким образом, анион притягивает катион. Именно в этот момент можно наблюдать, как один из атомов теряет электроны, а другой их приобретает. Этот полный перенос электронов делает ионную связь очень прочной и приводит к тому, что ионы организуются в большие кластеры. кристаллические решетки трехмерным.
Когда это соединение хранится в твердыйОно сохраняет высокоупорядоченную и стабильную структуру. Однако при воздействии влажной среды или растворении в полярных жидкостях, таких как… водаКристаллическая решетка разрушается, ионы разделяются, но сохраняют свои электрические заряды. По этой причине водные растворы ионных соединений... проводит электричество, тогда как чистое твердое вещество обычно этого не делает.
Ионные соединения также обладают другими общими характеристиками:
- Su температура плавления а кипячение обычно высокаяиз-за сильного притяжения между ионами с противоположными зарядами.
- Они обычно хрупкийПри деформации ионные слои смещаются, и ионы с одинаковым зарядом могут соприкасаться, вызывая отталкивание и разрушение кристаллов.
- Они легко растворяются в полярные растворители как вода, поскольку молекулы воды окружают и стабилизируют ионы.
- Они проводят электрический ток, когда находятся растворенный или расплавленныйпотому что ионы могут свободно перемещаться.
Все эти детали делают ионные связи фундаментальными во многих повседневных процессах, таких как состав минеральных солей, электролитов в биологических растворах и керамических материалов.
Ковалентные связи
В ковалентные связи Атомы обладают способностью притягивать и разделять электроны друг с другом. Вместо того чтобы один атом полностью отдавал свои электроны другому, оба атома вносят один или несколько электронов, образуя общие пары. Было показано, что в этом случае участвующие ионы или атомы достигают электронных конфигураций. гораздо более стабильный.
Хотя можно сказать, что многие типы связей обладают способностью быть проводники электричестваВ данном случае оказывается, что значительная часть веществ, образованных ковалентными связями, не является проводящей, особенно в твердом состоянии и в виде нейтральных молекул. Однако существуют заметные исключения, такие как графит, в котором делокализованные электроны обеспечивают некоторую проводимость.
Все органический материал В основном он состоит из ковалентных связей, поскольку, как уже упоминалось, они обычно обеспечивают высокую стабильность и позволяют формировать очень сложные и разнообразные структуры: цепочки, кольца, трехмерные сетки и т. д. Углерод, например, мастерски образует множественные ковалентные связи и разветвленные структуры.
Эти связи имеют свою собственную классификацию, которая варьируется в зависимости от того, является ли обмен электронами симметричным или нет. В общих чертах, мы можем выделить следующие типы связей: полярные ковалентные связи y los неполярныйЭто будет кратко объяснено ниже, чтобы прояснить разницу в распределении электронной плотности.
Помимо этой классификации, ковалентные связи могут быть просто (общая пара электронов), dobles (две общие пары) или троек (три общие пары), что влияет на длину и прочность связи: как правило, многовалентная ковалентная связь более короткий и сильный чем простой.
Полярная ковалентная связь
Ссылки полярная ковалентная Их главная особенность заключается в том, что они полностью асимметричный в распределении электронной плотности. Это означает, что связанные атомы делят электроны, но не поровну: чем плотнее электроны атом, тем больше их количество. электроотрицательный Один электрон сильнее притягивает общие электроны и приобретает небольшой частичный отрицательный заряд, в то время как другой электрон приобретает небольшой частичный положительный заряд.
Эту ситуацию можно представить так: более электроотрицательно заряженные атомы могут иметь два электрона для совместного использования или два пространства для поглощения, в то время как другой атом имеет только один, причем варианты могут различаться. Хотя в квантовой реальности это более тонко, основная идея заключается в том, что Делиться несправедливо.
Этот тип связи образуется аналогично ионным связям, поскольку также существуют различия в электроотрицательности, но с ключевым отличием: для образования связи между атомами происходит не полная передача электронов, а частичная. полярная ковалентная связь при этом электроны распределяются неравномерно. Для этого должно быть два различные неметаллические элементы с различной электроотрицательностью.
Классическим примером является молекула вода (H₂O)Кислород гораздо более электроотрицателен, чем водород, поэтому он сильно притягивает общие электроны, создавая... электрический диполь В молекуле: слегка отрицательно заряженная зона на атоме кислорода и две слегка положительно заряженные зоны на атомах водорода.
Благодаря этой полярности полярные ковалентные молекулы могут взаимодействовать друг с другом посредством диполь-дипольные силы а в некоторых случаях образуют водородные связи. Эти взаимодействия придают таким веществам, как вода, такие уникальные свойства, как высокая температура кипения относительно молекулярной массы, высокое поверхностное натяжение и способность растворять многие ионные и полярные вещества.
Неполярная ковалентная связь
В отличие от описанного выше типа химической связи, в данном случае должно быть два или более атомов одного типа. неметалл того же типа или элементов с очень похожей электроотрицательностью. Это совершенно отличается от полярных элементов в одном ключевом аспекте: симметрияКогда два атома одного и того же элемента обмениваются электронами, этот процесс полностью симметричен, поэтому они остаются в равновесии и оба атома одинаково получают и отдают электроны.
Благодаря такому равномерному распределению электронной плотности электроны не генерируются. значительные частичные нагрузки Ни на одном из концов связи нет полярности; следовательно, такая связь считается неполярной. Типичные примеры неполярных ковалентных связей встречаются в таких молекулах, как Н₂ (молекулярный водород), О₂ (молекулярный кислород), Н₂ (молекулярный азот) или в длинных углеводородных цепях, таких как цепи многих масел.
Вещества, образованные преимущественно неполярными ковалентными связями, обычно слабо растворим в воде (который является полярным растворителем) и лучше растворяются в неполярных растворителях, таких как некоторые масла и органические растворители. Кроме того, при комнатной температуре они могут находиться в газообразном или жидком состоянии. низкая температура кипенияименно потому, что силы притяжения между его молекулами относительно слабы.
Во многих случаях одна молекула может содержать области с полярными ковалентными связями, а другие — с неполярными. Это приводит к образованию молекул с гидрофильной (притягивающей воду) и гидрофобной (отталкивающей воду) частями, как это происходит в... липиды клеточных мембран. Эта двойственность является ключевой для формирования биологических структур, таких как липидные бислои.
Связи водородной связи
El водород Характерной чертой является наличие частичного положительного заряда при образовании полярной ковалентной связи с высокоэлектроотрицательным атомом, таким как кислород, азот или фтор. Для образования такого типа межмолекулярной связи частично положительный атом водорода должен притягиваться к атому водорода. электроотрицательный атом с парой свободных электронов в другой молекуле или в другой части той же молекулы.
Благодаря этому процессу между ними образуется союз, который получил название водородная связьИменно отсюда и происходит название связи. Она не такая прочная, как ковалентная связь, но намного прочнее других взаимодействий Ван дер Ваальса и играет решающую роль в структуре и свойствах многих веществ.
Очень показательный пример — вода. Каждая молекула воды может образовывать несколько водородных связей с соседними молекулами, создавая обширную сеть. сеть взаимодействий Это объясняет его высокую удельную теплоемкость, высокие температуры плавления и кипения для его молекулярной массы, а также его необычное поведение — расширение при замерзании. Все это в значительной степени обусловлено наличием этих связей.
В биологических системах Водородные связи Они имеют основополагающее значение для поддержания трехмерной структуры молекул, что не менее важно, чем... белки y los нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В ДНК, например, комплементарные азотистые основания связаны между собой водородными связями, что позволяет двойной спирали стабилизироваться и точно реплицироваться.
Ссылки на Ван дер Ваальс
В этом типе взаимодействия, объединенном под названием Силы Ван-дер-Ваальса, союз между двумя можно найти постоянные диполиа также между двумя индуцированные диполи или возможность возникновения связей между постоянным диполем и индуцированным диполем. Это возможно только при наличии молекул с некоторым распределением заряда, пусть даже кратковременным.
Эти силы начинают действовать, когда возникает притяжение или отталкивание Взаимодействие происходит между молекулами или между ионами и нейтральными молекулами, которые могут быть слегка поляризованы. Хотя каждое из этих взаимодействий относительно слабое, вместе они могут стать очень важными, особенно когда суммируются в крупных молекулах или молекулярных твердых телах.
Силы Ван дер Ваальса объясняют, например, почему благородные газыМолекулы, состоящие из изолированных неполярных атомов, могут разжижаться и затвердевать при низких температурах: хотя они не образуют прочных химических связей, существует слабое притяжение, обусловленное временными флуктуациями в распределении их электронов, которые вызывают мгновенные диполи.
Они также ответственны за такие вещества, как масла или Лас- восковОбразующиеся в основном из неполярных углеводородных цепей, они обладают вязкостью и остаются связанными друг с другом, или же некоторые биологические молекулы распознают их и соединяют, как части головоломки, благодаря тонкой взаимосвязи множества слабых взаимодействий этого типа.
Благодаря постоянному изучению этого Это относится ко всем типам химических связей. Существующая тенденция заключается в том, что мы смогли немного лучше понять, как работает материя и как она может трансформироваться в совершенно новый продукт или возвращаться к своей прежней форме после изменения в результате обмена или перераспределения электронов, как это описывается в большинстве подобных процессов.
Все эти знания были получены благодаря технологическому прогрессу, поскольку ранее существование атомов лишь предполагалось, и примером этого является существование... атомные модели Предложенные великими философскими мыслителями. Хотя они не так уж сильно отличаются от того, что известно сегодня, эти процессы были гораздо лучше изучены благодаря экспериментам, спектроскопическим методам, электронной микроскопии и инструментам компьютерного моделирования.
Понять типы химических связей, из которых состоит материя Это ключ к объяснению того, почему каждое вещество обладает специфическими свойствами, как образуются новые материалы и какова молекулярная основа биологических и технологических процессов, поддерживающих нашу повседневную жизнь.