Что удерживает атомы вместе? Ионная, ковалентная и металлическая связи

Почему атомы образуют связи

Атомы образуют связи, потому что это позволяет им достичь более устойчивого распределения внешних электронов, часто заполненной внешней оболочки, как у благородного газа. Участвуют только внешние электроны, валентные, и атомы могут их отдавать, принимать или делить. Каждый выбор приводит к своему типу связи.

Ионные связи: отдача и приём электронов

Ионная связь обычно образуется между металлом и неметаллом. Атом металла теряет электроны и становится положительным ионом, а атом неметалла принимает их и становится отрицательным ионом. Противоположные заряды сильно притягиваются, и это притяжение и есть ионная связь.

Классический пример — поваренная соль. Атом натрия отдаёт свой единственный внешний электрон атому хлора, образуя Na⁺ и Cl⁻. В кристалле соли нет отдельных пар NaCl. Вместо этого каждый Na⁺ окружён шестью ионами Cl⁻, а каждый Cl⁻ — шестью ионами Na⁺ в повторяющейся кубической структуре, называемой кристаллической решёткой.

Ионные соединения обычно твёрдые хрупкие вещества с высокой температурой плавления: соль плавится при 801 °C. В твёрдом виде они не проводят электрический ток, но проводят в расплаве или растворе в воде, потому что тогда ионы могут свободно двигаться.

Ковалентные связи: обобществление электронов

Ковалентная связь обычно образуется между двумя атомами неметаллов. Ни один из атомов не притягивает электроны достаточно сильно, чтобы отнять их у другого, поэтому они делят пару электронов. Общая пара притягивается к обоим ядрам, что и удерживает атомы вместе. Группа атомов, соединённых таким образом, называется молекулой.

В молекуле воды H₂O атом кислорода делит по одной паре электронов с каждым из двух атомов водорода. У кислорода было 6 внешних электронов, а теперь вокруг него 8, а у каждого водорода теперь 2 — заполненная первая оболочка. Атомы могут делить и две пары, образуя двойную связь, как в O₂, или три пары, образуя тройную связь, как в N₂.

Многие ковалентные вещества имеют низкие температуры плавления и кипения, поэтому при комнатной температуре они часто газы или жидкости; вода кипит при 100 °C. Некоторые, например алмаз, образуют гигантские сетки ковалентных связей и чрезвычайно твёрдые.

Металлические связи: море электронов

В металле атомы отдают внешние электроны в общий пул, свободно движущийся по всему металлу. Остаётся правильная решётка положительных ионов металла, удерживаемых вместе этим «морем» электронов. Притяжение между ионами и движущимися электронами и есть металлическая связь.

Свободные электроны переносят электрический ток, поэтому из меди делают провода, и переносят тепло, поэтому металлическая ложка в горячем супе быстро нагревается. Поскольку связи не закреплены между конкретными атомами, слои ионов могут скользить друг относительно друга, поэтому металлы гнутся и их можно проковывать в листы, а не разлетаются на куски.

Предсказание связи по электроотрицательности

Электроотрицательность показывает, насколько сильно атом притягивает общие электроны. Чтобы сравнить два атома, вычтите меньшее значение из большего. Как грубый ориентир: разность менее примерно 0,4 означает, что электроны делятся почти поровну (неполярная ковалентная связь), разность от примерно 0,4 до 1,7 — что неравномерно (полярная ковалентная связь), а разность более примерно 1,7 обычно означает ионную связь.

Хлорид натрия: 3,16 − 0,93 = 2,23, поэтому связь ионная. Вода: электроотрицательности кислорода (3,44) и водорода (2,20) различаются на 1,24, поэтому связи O–H полярные ковалентные. Кислород сильнее притягивает общие электроны и несёт небольшой отрицательный заряд, а атомы водорода слегка положительны. Газообразный хлор Cl₂: 3,16 − 3,16 = 0, поэтому электроны делятся абсолютно поровну.

Эти границы — лишь примерные ориентиры, и в учебниках используют немного разные числа, потому что на самом деле тип связи меняется плавно. В большинстве случаев работает короткое правило: металл + неметалл даёт ионную связь, неметалл + неметалл — ковалентную, а металл + металл — металлическую.