Типи хімічних зв’язків
Основними типами хімічного зв'язку є: ковалентний, іонний, металевий та поляризаційний зв'язок (або зв'язок Ван-дер-Ваальса).
Ковалентний зв'язок. Ковалентний зв'язок утворюється між атомами одного або кількох хімічних елементів із близькими іонізаційними потенціалами. У чистому вигляді ковалентний зв'язок реалізується при взаємодії елементів з заповненими наполовину електронними оболонками. З квантової хімії випливає, що система з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронних оболонок має мінімальну енергію у тому випадку, коли електронні оболонки заповнені повністю. Для цього зовнішня оболонка атома має містити вісім електронів. Тому атоми з майже заповненою оболонкою прагнуть приєднати недостатні електрони, а атоми, що мають один - два електрони на зовнішній оболонці, - віддати зайві електрони. Атоми, що мають заповнені наполовину електронні оболонки, обмінюються електронами. При цьому утворюються пари електронів із протилежно спрямованими спиновими магнітними моментами. Ці пари належать обом сусіднім атомам, тому оболонки сусідніх атомів заповнюються до стійкої конфігурації (рис. 1.3).
Поява між позитивно зарядженими іонами негативно зарядженої електронної пари призводить до того, що обидва іони притягуються до узагальнених електронів і тим самим притягуються один до одного. Кожен атом взаємодіє з кількома сусідами, причому число сусідів дорівнює числу валентних електронів атома. Отже, ковалентний зв'язок насичений. Крім того, атом взаємодіє тільки з тими сусідами, з якими він обмінявся електронами, тобто ковалентний зв'язок спрямований.
 |
Відношення розмірупозитивно зарядженого ядра до розміру валентної електронної оболонки надзвичайно мало, тому під час аналізу сили тяжіння вважатимуться, що взаємодіють точкові заряди, т. е. сила тяжіння описується простим кулонівським законом: сила тяжіння обернено пропорційна квадрату відстані між зарядами. При зближенні атомів починається взаємне відштовхування внутрішніх електронних оболонок, і така взаємодія описується складнішим законом: сила відштовхування обернено пропорційна відстані між атомами в ступеніn, деn>2.
Збільшення порядкового номера елемента веде до зростання кількості електронних оболонок, що екранують взаємодію позитивно заряджених ядер з валентними електронами. Тому знижується сила взаємного тяжіння та зменшується глибина потенційної ями. У результаті зростанням порядкового номера елемента зменшується температура плавлення, модуль пружності, а коефіцієнт теплового розширення зростає.
Іонний зв'язок. Іонний зв'язок утворюється при взаємодії атомів із малою кількістю валентних електронів та атомів із великою кількістю електронів на валентних оболонках. При цьому енергетично вигідно, коли зовнішні електрони атомів із низькими потенціалами іонізації переходять на валентні оболонки атомів із високими іонізаційними потенціалами. В результаті утворюються позитивно і негативно заряджені іони, що взаємно притягуються електростатичними силами (рис. 1.4). Іонний зв'язок ненасичений, оскільки кожен із негативно заряджених іонів притягує до себе позитивно заряджені, а кожен із позитивно заряджених іонів притягує до себе всі негативно заряджені. Однак іонний зв'язок спрямований, оскільки іон притягує до себе різноіменно заряджені іони і відштовхує однойменнозаряджені.
 |
Зменшення розміру іона та збільшення його заряду веде до зростання енергії зв'язку, а отже, до зростання температури плавлення матеріалу, зменшення коефіцієнта теплового розширення та збільшення модуля пружності.
 |
Металевий зв'язок утворюється між атомами одного або декількох хімічних елементів, у яких валентні електронні оболонки забудовані менше, ніж наполовину. Оскільки енергія іона мінімальна при повністю заповненій зовнішній оболонці, атоми віддають зовнішні валентні електрони і перетворюються на позитивно заряджені іони, між якими знаходяться вільні електрони (електронний газ) (рис. 1.5).
Кожен із позитивно заряджених іонів притягується до вільних електронів, і цим іони притягуються друг до друга. Металевий зв'язок ненаправлений і не насичений. Така особливість зв'язку призводить до того, що число найближчих сусідів у іона може бути більшим і визначається переважно геометричними та енергетичними факторами. Тому кристалічні ґрати металів упаковані щільно. Такі щільно упаковані грати металів є причиною їх високої пластичності. Іншою відмінною властивістю металевого зв'язку є наявність вільних електронів. Під дією електричного поля не пов'язані з іонами електрони переміщуються, внаслідок чого всі метали мають хорошу електропровідність. Далі вільні електрони можуть легко прискорюватися і сповільнюватися, тобто змінювати свою кінетичну енергію. Значить металеві матеріали можуть поглинати кванти електромагнітного поля будь-якої енергії, тобто метали непрозорі для радіо- та світлових хвиль.Поглинаючи квант електромагнітного поля, вільний електрон збуджується і, переходячи в стаціонарний стан, випускає аналогічний квант. Інакше висловлюючись, металеві матеріали відбивають радіо- і світлові хвилі.
Ці найважливіші якості, властиві металам, відображені у дуже короткому та ємному визначенні, даному великим українським ученим М.В. Ломоносовим: «Метали суть світлі тіла, які можна кувати».
Поляризаційний зв'язок, або зв'язок Ван-дер-Ваальса. Утворюється при зближенні нейтральних молекул або атомів інертних газів. Розглянемо виникнення поляризаційного зв'язку з прикладу атомів інертних газів.
Аналогічні процеси відбуваються при зближенні електрично нейтральних молекул. Причому чим вища молекулярна вага, тим більший дипольний момент молекул і вища енергія зв'язку. Тому речовини з низькою молекулярною вагою за кімнатної температури є газами, речовини з великою молекулярною вагою - рідинами, а речовини з ще більшою молекулярною вагою - твердими тілами.
Табл. 1.2 ілюструє міцність різних типів зв'язку. Міцність зв'язку характеризують енергією, яку необхідно витратити для розриву зв'язків в одному молі речовини.Найбільш міцний зв'язок ковалентний, дещо слабший іонний, далі металевий, і дуже слабкий у порівнянні з іншими поляризаційними.
| Тип зв'язку | Ковалентна | Іонна | Металева | Поляризаційна | ||||
| Кристал | SiC | C алмаз | LiF | NaCl | Fe | Na | Ar | CH4 |
| Енергія зв'язку, кДж/моль | 7,5 |
Основні властивості матеріалу визначаються типом та енергією хімічного зв'язку. Наприклад, вуглець з чотирма міцними ковалентними зв'язками утворює дуже жорсткі кристалічні ґрати алмазу. Цей кристал є найтвердішим природним матеріалом.
Той самий вуглець може існувати у вигляді графіту. У кристалі графіту три зовнішні електрони атома утворюють ковалентний зв'язок, ці зв'язки зумовлюють зчеплення атомів у міцні атомні площини або шари. Четвертий зовнішній електрон йде на утворення металевого зв'язку, таким чином графіт добре проводить електричний струм. Утворені ковалентним зв'язком атомні площини зчеплені між собою дуже слабким поляризаційним зв'язком, внаслідок чого графіт є одним з м'яких кристалів. Його атомні шари легко ковзають щодо один одного і відшаровуються при невеликому механічному зусиллі. Саме такий процес відбувається, коли ми проводимо графітовим грифелем олівця поверхнею паперу. Шари, що залишилися, лусочки на поверхні паперу і є олівцевий слід.
Таким чином, в одного елемента або сполуки можуть існувати кілька видів кристалів, а в тому самому матеріалі одночасно можуть реалізовуватися кілька типів хімічних зв'язків.
У ряді випадків спостерігається зміна типу зв'язку за зміни зовнішніх умов. Так, оловоє елементом четвертої групи, і в ньому має реалізовуватися ковалентний зв'язок, але у олова п'ять електронних оболонок і валентні електрони слабо пов'язані з ядром. Тому при термічному збудженні електрони відриваються від атомів і зв'язок стає металевим. До температури 13°С міжатомний зв'язок в олові ковалентний, і воно є типовим напівпровідником - "сіре" олово. Вище 13 ° С зв'язок стає металевою, і олово поводиться як типовий метал - "біле" олово. Важливо, що перетворення білого олова на сіре олово не може статися строго при 13°С. Це викликано істотною відмінністю в щільності упаковки атомів (
25%). При перебудові кристалічних решіток у матеріалі з'являються пружні напруги, що підвищують енергію системи. Тому перетворення починається за сильного переохолодження. Пружні напруги, що виникають при перетворенні, руйнують матеріал, і сіре олово після такого перетворення виходить у вигляді порошку. Таке явище спостерігали вже давно в царській армії: за сильних морозів солдатські олов'яні гудзики, ложки та ін. розсипалися в сірий порошок. Не знаючи його причин, це називали «олов'яною чумою». Вона стала причиною загибелі експедиції Роберта Скотта до Південного полюса 1912 року. Оскільки каністри з пальним були пропаяні оловом, то при сильному охолодженні під час антарктичних морозів біле олово перетворилося на сіре та пальне витекло.
Іншим прикладом зміни типу зв'язку є вуглець. Він може існувати в модифікації алмазу чи графіту. При нагріванні алмазу до 1000 про З він із помітною швидкістю перетворюється на графіт. Але якщо створити жахливий тиск близько 100000 атм і температуру 2000 про С, то стійкою стає щільніша структура алмазу (rалм =3500кг/м 3 , rграф =2250 кг/м 3 ). У 1955 році вамериканської лабораторії «Дженерал електрик» вперше було отримано штучні алмази розміром
1мм. Після цього 1961 року синтез алмазів було освоєно й у Радянському Союзі.