Ионная связь. Ионные кристаллы.

Химическая связь может возникнуть при электростатическом притяжении двух разноименных ионов - катиона и аниона, например, K⁺ и I⁻. Перекрывание атомных орбиталей в этом случае незначительно, и электронная плотность распределена неравномерно, недостаток её будет у атома калия, а избыток - у атома иода.

Ионную связь (K⁺)−(I⁻) рассматривают как предельный случай ковалентной связи.

кристаллическая решетка иодида калия

Общая пара электронов в случае ионной связи практически полностью смещена к аниону. Обычно это происходит в соединениях элементов с большой разностью электроотрицательности (например, в соединениях CsF, NaBr, K2O, Rb2S, Li3N и др.). Все эти соединения при обычных условиях представляют собой ионные кристаллы (кристаллы, построенные из катионов и анионов), например кристаллы иодида калия или хлорида натрия.

Металлическая связь. Металлические кристаллы.

В металлах валентные электроны удерживаются атомами крайне слабо и способны мигрировать. Атомы, оставшиеся без внешних электронов, приобретают положительный заряд. Они образуют металлическую кристаллическую решётку.

Совокупность обобществлённых валентных электронов (электронный газ), заряженных отрицательно, удерживает положительные ионы металла в определённых точках пространства - узлах кристаллической решётки, например, металла серебро.

Внешние электроны могут свободно и хаотично перемещаться, поэтому металлы характеризуются высокой электропроводностью (особенно золото, серебро, медь, алюминий).

Атомные и молекулярные кристаллы

В твердом агрегатном состоянии у веществ могут образоваться не только ионные, но также молекулярные и атомные кристаллические решетки.

кристаллическая решетка иода

Так, твердый иод имеют молекулярную кристаллическую решетку, в узлах которых находятся молекулы I2. Аналогичным образом построена кристаллическая решетка твердого диоксида углерода (сухой лед) - в узлах кристаллической решетки находятся молекулы CO2.

Алмаз и графит - кристаллы с атомной решеткой, имеющей в узлах атомы углерода с разным расположением этих узлов в пространстве.

кристаллическая решетка алмаза

кристаллическая решетка графита

Водородная связь.

При изучении многих веществ были обнаружены так называемые водородные связи. Например, молекулы HF в жидком фтороводороде связаны между собой водородной связью, аналогично связаны молекулы Н₂О в жидкой воде или в кристалле льда, а также молекулы NH₃ и Н₂О между собой в межмолекулярном соединении - гидрате аммиака NH₃ · Н₂О.

водородные связи между молекулами воды

Водородная связь образуется за счёт сил электростатического притяжения водородсодержащих полярных молекул, содержащих атомы наиболее электроотрицательных элементов - F, O, N. Например, водородные связи имеются в HF, Н2О, NH3, но их нет в HCl, Н2S, PH3.

Водородные связи малоустойчивы и разрушаются довольно легко (например, при плавлении льда, кипении воды). Однако на разрыв этих связей затрачивается некоторая дополнительная энергия, и поэтому температуры плавления и кипения веществ с водородными связями между молекулами оказываются значительно выше, чем у подобных веществ, но без водородных связей:

Вещество	Температура плавления	Температура кипения
HF	−83,36 °C	+19,52 °C
HCl	−114,00 °C	−85,08 °C
H2O	0,00 °C	+100,00 °C
H2S	−8,54 °C	−60,35 °C

Валентность. Донорно-акцепторные связи.Согласно теории молекулярного строения, атомы могут образовывать столько ковалентных связей, сколько орбиталей у них занято одним электроном, однако так бывает не всегда. [В принятой схеме заполнения АО вначале указывают номер оболочки, затем тип орбитали и далее, если на орбитали находится более одного электрона, – их число (верхний индекс). Так, запись (2s)² означает, что на s-орбитали второй оболочки находятся два электрона.] Атом углерода в основном состоянии (³Р) имеет электронную конфигурацию (1s)²(2s)²(2p_x)(2p_y), при этом две орбитали не заполнены, т.е. содержат по одному электрону. Однако соединения двухвалентного углерода встречаются очень редко и обладают высокой химической активностью. Обычно углерод четырехвалентен, и связано это с тем, что для его перехода в возбужденное ⁵S-состояние (1s)²(2s) (2p_x)(2p_y)(2p_z) с четырьмя незаполненными орбиталями нужно совсем немного энергии. Энергетические затраты, связанные с переходом 2s-электрона на свободную 2р-орбиталь, с избытком компенсируются энергией, выделяющейся при образовании двух дополнительных связей. Для образования незаполненных АО необходимо, чтобы этот процесс был энергетически выгодным. Атом азота с электронной конфигурацией (1s)²(2s)²(2p_x)(2p_y)(2p_z) не образует пятивалентных соединений, поскольку энергия, необходимая для перевода 2s-электрона на 3d-орбиталь с образованием пятивалентной конфигурации (1s)²(2s)(2p_x)(2p_y)(2p_z)(3d), слишком велика. Аналогичным образом, атомы бора с обычной конфигурацией (1s)²(2s)²(2p) могут образовывать трехвалентные соединения, находясь в возбужденном состоянии (1s)²(2s)(2p_x)(2p_y), которое возникает при переходе 2s-электрона на 2р-АО, но не образует пятивалентных соединений, поскольку переход в возбужденное состояние (1s)(2s)(2p_x)(2p_y)(2p_z), обусловленный переводом одного из 1s-электронов на более высокий уровень, требует слишком много энергии. Взаимодействие атомов с образованием связи между ними происходит только при наличии орбиталей с близкими энергиями, т.е. орбиталей с одинаковым главным квантовым числом. Соответствующие данные для первых 10 элементов периодической системы суммированы ниже. Под валентным состоянием атома понимают состояние, в котором он образует химические связи, например состояние ⁵S для четырехвалентного углерода.

ВАЛЕНТНЫЕ СОСТОЯНИЯ И ВАЛЕНТНОСТИ ПЕРВЫХ ДЕСЯТИ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ТАБЛИЦЫ
Элемент	Основное состояние	Обычное валентное состояние	Обычная валентность
H	(1s)	(1s)
He	(1s)2	(1s)2
Li	(1s)2(2s)	(1s)2(2s)
Be	(1s)2(2s)2	(1s)2(2s)(2p)
B	(1s)2(2s)2(2p)	(1s)2(2s)(2px)(2py)
C	(1s)2(2s)2(2px)(2py)	(1s)2(2s)(2px)(2py)(2pz)
N	(1s)2(2s)2(2px)(2py)(2pz)	(1s)2(2s)2(2px)(2py)(2pz)
O	(1s)2(2s)2(2px)2(2py)(2pz)	(1s)2(2s)2(2px)2(2py)(2pz)
F	(1s)2(2s)2(2px)2(2py)2(2pz)	(1s)2(2s)2(2px)2(2py)2(2pz)
Ne	(1s)2(2s)2(2px)2(2py)2(2pz)2	(1s)2(2s)2(2px)2(2py)2(2pz)2

Указанные закономерности проявляются в следующих примерах: