У хімії існує кілька типів зв'язків між атомами в молекулах і сполуках. Два з них - іонний і ковалентний зв'язки-є одними з основних. Вони мають певні подібності і відмінностями, і, незважаючи на свою різну природу, можуть виконувати схожі функції в хімічних реакціях і структурах речовин.
Іонний зв'язок-це зв'язок, який утворюється між атомами, коли один або кілька з них віддають або приймають електрони, утворюючи іони. Іони мають різнойменними зарядами і притягуються один до одного силою електростатичного взаємодії. В результаті утворюється кристалічна або молекулярна структура сполуки.
Ковалентний зв'язок, навпаки, утворюється між атомами, коли вони ділять пару електронів між собою. В результаті утворюється загальна область, в якій електрони знаходяться поруч з обома атомами. Такий зв'язок є набагато більш міцною і стійкою в порівнянні з іонним зв'язком.
Електронний обмін
В іонному та ковалентному зв'язках відбувається електронний обмін між атомами, але з різною інтенсивністю та характером. В іонному зв'язку електрони передаються від одного атома до іншого повністю, утворюючи позитивно і негативно заряджені іони. Такий зв'язок зазвичай утворюється між металом і неметалом.
У ковалентному зв'язку електрони не передаються повністю, а утворюють так звані спільні пари електронів, які зв'язують атоми в молекулі. Такий зв'язок утворюється між неметалами або між атомами одного і того ж неметалу.
В обох типах зв'язків відбувається обмін електронами, який здійснюється завдяки наявності зовнішньої оболонки атома, яка містить валентні електрони. В іонному зв'язку електрони переносяться повністю, а в ковалентному зв'язку вони утворюють спільні пари, беручи участь в утворенні валентних зв'язків.
Таким чином, в іонної і ковалентного зв'язках здійснюється електронний обмін, проте з різним ступенем передачі електронів.
Створення зв'язків
Іонна і ковалентний зв'язку виникають між атомами в процесі їх взаємодії. Однак процеси утворення цих зв'язків різні.
Іонний зв'язок утворюється між атомами різного заряду. При цьому один атом віддає електрони, стаючи позитивно зарядженим іоном, званим катіоном, а інший атом приймає ці електрони, стаючи негативно зарядженим іоном, званим аніоном. Ці протилежно заряджені іони притягуються один до одного, утворюючи іонний зв'язок. Прикладом іонного зв'язку є сполука NaCl (хлорид натрію).
Ковалентний зв'язок утворюється між атомами однакового заряду. В цьому випадку, атоми обмінюють електрони, створюючи спільні електронні пари. Ці пари електронів зв'язують атоми один з одним, утворюючи ковалентний зв'язок. Приклади ковалентних зв'язків можуть бути частково або повністю іонними, наприклад, H2O (вода) і CO2 (вуглекислий газ).
Утворення іонних і ковалентних зв'язків засноване на прагненні атомів досягти Електронної стабільності шляхом заповнення зовнішніх електронних оболонок. Ці зв'язки відіграють важливу роль у визначенні хімічних властивостей і сполук елементів.
Утворення стабільної структури
Йонний зв'язок:
Утворення стабільної структури в іонному зв'язку відбувається шляхом обміну електронами між атомами. Атоми, які мають дефіцит або надлишок електронів, утворюють іони позитивного та негативного заряду. Заряджені іони притягуються один до одного за законами електростатики, утворюючи кристалічну решітку. Обмін електронами призводить до встановлення електричного балансу і утворення стабільної структури.
Ковалентний зв'язок:
Утворення стабільної структури в ковалентному зв'язку відбувається шляхом спільного використання електронних пар атомами. Атоми ділять одну або кілька пар електронів, утворюючи між собою сильні зв'язки. Електрони, що беруть участь у ковалентному зв'язку, проводять час у зоні взаємного впливу кількох атомів, знижуючи енергію системи та утворюючи стабільну структуру.
В обох випадках утворення стабільної структури відбувається шляхом оптимізації розподілу електронів навколо атомів. Це дозволяє атомам досягти найбільш енергетично вигідного стану і утворити стабільні хімічні сполуки.
Загальна енергія
Для іонних зв'язків загальна енергія обчислюється як сума енергії електростатичного притягання між іонами та енергії розсіювання при переміщенні електронів між атомами. Саме енергія електростатичної взаємодії визначає міцність іонного зв'язку. Чим більше величина зарядів іонів і менше відстань між ними, тим сильніше буде їх тяжіння і, отже, вище загальна енергія.
Для ковалентних зв'язків загальна енергія визначається взаємодією електронних хмар атомів. У ковалентних зв'язках атоми ділять електрони, створюючи спільні електронні хмари, так звані молекулярні орбіталі. Об'єднання електронних хмар призводить до утворення молекули і взаємопроникнення атомів всередину один одного. Чим щільніше електронні хмари притиснуті один до одного, тим нижче потенційна енергія системи. Таким чином, загальна енергія для ковалентних зв'язків включає енергію утворення зв'язку та енергію відштовхування атомних хмар.
Незважаючи на те, що іонні та ковалентні зв'язки відрізняються механізмом утворення та енергетичними характеристиками, загальна енергія відіграє важливу роль в обох зв'язках. Вона визначає стабільність молекули або кристала, а також сприяє різним хімічним реакціям, в яких беруть участь іони або молекули.
Типи елементів
У хімії існують різні типи елементів, включаючи метали, неметали та напівметали. Кожен з цих типів елементів має свої особливості і здатність утворювати певні типи хімічних зв'язків.
- Метал: Метали зазвичай утворюють іонні зв'язки з неметалами. Вони мають низьку електронегативність і здатність віддавати електрони. Прикладами металів є натрій, калій і залізо.
- Неметал: Неметали зазвичай утворюють ковалентні зв'язки між собою або з металами. Вони мають високу електронегативність і здатність приймати або ділити електрони. Прикладами неметалів є кисень, фтор та вуглець.
- Напівметал: Напівметали мають властивості і металів, і неметалів. Вони можуть утворювати як іонні, так і ковалентні зв'язки. Прикладами напівметалів є кремній і германій.
Тип елемента впливає на тип зв'язку, який він може утворювати з іншими елементами. Це дозволяє визначити хімічні властивості і реактивність кожного елемента.
Поляризація
Іонні та ковалентні зв'язки можуть бути поляризованими або неполяризованими залежно від різниці електронегативності атомів, що беруть участь у зв'язку.
У поляризованих зв'язках різниця електронегативності між атомами призводить до нерівномірного розподілу електронної щільності. В результаті один атом стає негативно зарядженим, а інший - позитивно зарядженим. Це створює полярність в молекулі, що призводить до таких властивостей, як дипольний момент і можливість утворення водневих зв'язків.
У неполяризованих зв'язках різниця електронегативності між атомами незначна або відсутня. У цьому випадку електронна щільність рівномірно розподілена між атомами, і молекула не має полярності.
Поляризація зв'язку впливає на хімічні та фізичні властивості речовин. Поляризовані зв'язки мають більш високу температуру кипіння і плавлення, а також мають більшу розчинність у полярних розчинниках. Неполяризовані зв'язки, навпаки, зазвичай мають низьку температуру кипіння і плавлення і низьку розчинність у полярних розчинниках.
Точка топлення
Іонні сполуки мають температуру плавлення, як правило, високу через сильні електростатичні сили притягання між іонами. Іони утворюють кристалічну решітку, в якій кожен іон оточений сусідніми іонами протилежного заряду. Для руйнування цієї решітки іонів і утворення рідини потрібна велика енергія, тому температура плавлення іонних сполук зазвичай висока.
У ковалентних сполук температура плавлення може значно відрізнятися залежно від типу ковалентного зв'язку та структури молекули. Ковалентні сполуки можуть утворювати кристалічні решітки або молекулярні структури, в яких молекули пов'язані слабкими міжмолекулярними силами. Якщо міжмолекулярні сили є слабкими, то точка плавлення ковалентного з'єднання буде низькою. Якщо міжмолекулярні сили є сильними, то точка плавлення може бути високою.
Електронна конфіґурація
Наприклад, іон натрію Na + та іон хлориду Cl - утворюють іонний зв'язок у хлориді натрію (NaCl). Натрієвий іон віддає один електрон, щоб досягти електронної конфігурації інертного газу неону, а хлоридний іон приймає цей електрон, досягаючи електронної конфігурації інертного газу аргону. Таким чином, обидва іони зараз перебувають у стабільному електронному стані.
У ковалентному зв'язку, яка утворюється між атомами, електрони спільно використовуються обома атомами. В результаті електронна конфігурація обох атомів стає більш стабільною. Ковалентний зв'язок може бути полярним або неполярним, залежно від різниці електронегативності атомів.
Наприклад, у молекулі води (H2O) кисневий атом і два водневі атоми утворюють ковалентний зв'язок. Кисень утворює два подвійні зв'язки з воднем, переносячи два електрони на свої енергетичні рівні і досягаючи електронної конфігурації інертного газу неону. Водень також переміщує свої електрони, щоб досягти електронної конфігурації інертного газу.
Формування з'єднань
Іонне зв'язування формується між атомами, коли один з них віддає електрон, перетворюючись в позитивний іон, а інший атом приймає це електрон, стаючи негативним іоном. При цьому обидва іона притягуються один до одного на основі їх протилежних зарядів.
Ковалентне зв'язування виникає, коли два атоми ділять між собою пару електронів. Окремі атоми стають взаємно пов'язаними і утворюють молекулу. Таке зв'язування відбувається між атомами неметалів і може бути позитивно - і негативно - полярним в залежності від різниці електронегативностей атомів.
В обох випадках утворюється стійке з'єднання, в якому атоми вже не володіють своїми властивостями, а виявляють нові властивості, характерні для утворилася структури. Іонні сполуки зазвичай мають високу температуру плавлення і кипіння, хорошу провідність електричного струму в розплавленому і розчиненому стані. Ковалентні сполуки, навпаки, зазвичай володіють малими значеннями температур плавлення і кипіння і низькою провідністю струму.
Обидва типи зв'язування відіграють важливу роль у хімії та визначають властивості більшості речовин.