Химическая связь. Ковалентная и ионная связи

Классифицируют на два типа:

• ионная связь;
• ковалентная связь.

Деление производится условно. Большинство случаев характеризуется наличием черт обоих типов связей. При помощи детальных и эмпирических исследований можно установить в каждом случае соотношение между степенью «ионности» и «ковалентности» связи.

Опытным путем доказали, что при разъединении молекулы на составные (атомы) необходимо совершить работу. То есть процесс ее образования должен сопровождаться выделением энергии. Если два атома водорода пребывают в свободном состоянии, то имеют большую энергию по сравнению с атомами в двухатомной молекуле $H_2$. Выделяемая при образовании молекулы энергия считается мерой работы сил взаимодействия, связывающих атомы в молекулу.

Опыты доказывают, что появление силы взаимодействия между атомами идет вследствие наличия внешних валентных электронов атомов. Это возможно благодаря резкому изменению оптического спектра атомов, вступающих в химические реакции при сохранении без изменения рентгеновского характеристического спектра атомов, независимо от типа химического соединения.

Линейчатые оптические спектры определены состоянием валентных электронов, а характеристическое рентгеновское излучение определено при помощи внутренних электронов, то есть их состояния. Химические взаимодействия включают в себя участие электронов, требующих небольшую энергию для прохождения их изменений. Этой функцией обладают внешние электроны. Они отличаются меньшим потенциалом ионизации по сравнению с электронами внутренних оболочек.

Ионная связь

Существует предположение о природе химической связи атомов в молекуле, которое говорит о появлении силы взаимодействия электрической природы между внешними электронами. Для выполнения условия устойчивости должны существовать два взаимодействующих атома с электрическими зарядами противоположного знака. Тип химической связи может быть реализован только в части молекул. После взаимодействия атомов происходит превращение в ионы. Когда атом присоединяет один или несколько электронов, тогда становится отрицательным ионом, а другой – положительным ионом.

Ионная связь похожа на силы притяжения между зарядами с противоположными знаками. Если положительно заряженный ион натрия $\left(N{a}^{+}\right)$ будет притянут к отрицательному хлору $\left(C{l}^{-}\right)$, то получим молекулу $NaCl$, которая служит явным примером ионной связи.

Понятие ионной связи не дает возможности разъяснить строения и структуры всех молекул. Необъяснимо, почему может образоваться молекула из двух нейтральных атомов водорода. По причине одинаковой полярности атомов водорода недопустимо считать, что один из ионов водорода с положительным зарядом, другой – с отрицательным. Связь, имеющаяся у атомов водорода (между нейтральными атомами), объясняется только квантовой механикой. Она получила название ковалентной.

Ковалентная связь

Классическая физика рассматривает только один тип взаимодействия, где возможна ее реализация между двумя телами, – гравитация. Так как гравитационные силы малы, то с их помощью сложно объяснить взаимодействие в гомеополярной молекуле.

Ковалентная связь заключается в пребывании в определенном квантовом состоянии с определенной энергией электрона в поле ядра. Если расстояния между ядрами изменяются, то это отражается на состоянии движения электрона и его энергии. При уменьшении энергии между атомами происходит увеличение энергии взаимодействия между ядрами, объясняемое действием силы отталкивания.

Когда происходит уменьшение энергии электрона при уменьшении расстояния быстрее, чем рост энергии взаимодействия ядер, тогда значение совокупной энергии системы значительно уменьшается. Это объясняется действием сил, стремящихся уменьшить расстояние между ядрами, в системе, составленной из двух отталкивающихся ядер и электрона. Имеющиеся силы притяжения участвуют в порождении ковалентной связи молекулы. Их появление спровоцировано наличием общего электрона, иначе говоря, благодаря электронному обмену между атомами, значит, считаются обменными квантовыми силами.

Ковалентная связь обладает свойством насыщения. Его проявление возможно благодаря определенной валентности атомов. То есть атом водорода связывается с одним атомом водорода, а атом углерода с количеством не более $4$ атомов водорода.

Предложенная связь способствует объяснению валентности атомов, которое не получила его в классической физике. То есть свойство насыщения непонятно с точки зрения природы взаимодействия в классической теории.

Присутствие ковалентной связи наблюдается не только в двухатомных молекулах. Она свойственна для большого числа молекул неорганических соединений (окись азота, аммиак и другие).

В $1927$ году была создана количественная теория ковалентной связи для молекулы водорода В. Гайтлером и Ф. Лондоном, основываясь на понятиях квантовой механики. Они доказали причину, вызывающую появление молекулы с ковалентной связью, а именно: квантовомеханический эффект, связанный с неразличимостью электронов. Определение основной энергии связи происходит при наличии обменного интеграла. Суммарный спин молекулы водорода равняется $0$, в ней отсутствует орбитальный момент, поэтому она диамагнитна. При столкновении двух атомов водорода молекула появляется только при параллельности спинов обоих электронов. Это условие способствует отталкиванию атомов водорода, то есть молекулы не смогут образоваться.

При соединении двух одинаковых атомов ковалентной связью расположение электронного облака в молекуле становится симметричным. Если связь объединяет два разных атома, то электронное облако располагается асимметрично. Молекула с асимметричным распределением электронного облака обладает постоянным дипольным моментом, то есть полярна. Когда вероятность локализации электрона около одного из атомов преобладает над вероятностью нахождения этого электрона около другого атома, происходит переход от ковалентной связи к ионной. Четкой границы между ионной и ковалентной связи нет.