Главная / Теоретические основы / Химическая связь

Типы химических связей

В химии атомы редко существуют поодиночке. Они объединяются в молекулы и кристаллы с помощью химических связей.

1. Ковалентная химическая связь

Определение

Ковалентная химическая связь — это химическая связь, образующаяся за счёт обобществления электронных пар (перекрывания атомных орбиталей). Возникает, как правило, между атомами неметаллов.

Классификация

Неполярная связь

Образуется между атомами одного элемента с одинаковой электроотрицательностью (ΔЭО = 0).

Простые вещества: H₂, O₂, N₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂, P₄, S₈.
Сложные вещества (связь между одинаковыми атомами):
- Пероксид водорода H₂O₂ (связь O–O)
- Пирит FeS₂ (связь S–S)
- Карбид кальция CaC₂ (связь C≡C)
- Органика (этан C₂H₆, бензол C₆H₆ — связи C–C)

Полярная связь

Образуется между атомами разных неметаллов (ΔЭО > 0, но < 1.7). Электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому.

Примеры: HCl, H₂O, NH₃, CO₂, SO₃, P₂O₅, CCl₄, OF₂.

Запомните: Чем больше разница электроотрицательностей атомов, тем более полярной является связь!

Механизмы образования

Существует два основных механизма образования ковалентной связи:

Обменный механизм

Каждый атом предоставляет по одному неспаренному электрону на образование общей связи.

A• + •B → A:B

Донорно-акцепторный механизм

Один атом (донор) предоставляет неподеленную электронную пару, а другой (акцептор) — свободную орбиталь.

A: + □B → A:B (или A→B)

Рис. 2. Донорно-акцепторный механизм на примере иона аммония

📋 Список для ЕГЭ! Вещества с донорно-акцепторными связями:

Ион аммония NH₄⁺ (и его соли)
Угарный газ CO
Азотная кислота HNO₃ и нитраты
Комплексные соединения (напр., Na[Al(OH)₄])
Озон O₃
Оксид азота (V) N₂O₅

Характеристики ковалентной связи

Основные параметры связи — это длина, энергия и кратность. Они тесно взаимосвязаны.

1. Зависимость от кратности связи

Чем выше кратность связи, тем она короче и тем она прочнее (энергия разрыва выше).

Тип связи	Пример	Длина, пм	Энергия, кДж/моль
Одинарная (σ)	C—C	154	343
Двойная (σ+π)	C=C	134	615
Тройная (σ+2π)	C≡C	120	812

Вывод: Чем выше кратность, тем короче и прочнее связь

2. Кратность связи в простых веществах

Кратность	Связь	Примеры
1	H–H, Cl–Cl	H₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂
2	O=O	O₂
3	N≡N	N₂

3. Зависимость от радиуса атома

Связь	Длина	Прочность	Кислотность
H—F	0.092 нм (самая короткая)	565 кДж/моль (самая прочная)	Слабая кислота
H—Cl	0.127 нм	431 кДж/моль	Сильная кислота
H—Br	0.141 нм	364 кДж/моль	Сильная кислота
H—I	0.161 нм (самая длинная)	297 кДж/моль (наименее прочная)	Сильнейшая кислота

Вывод: С ростом радиуса атома связь удлиняется, ослабевает, а кислотность растет

Вопрос 3: Кратность связи

Проверка

Какая из молекул имеет наибольшую кратность ковалентной связи: фтор ($F_2$), кислород ($O_2$) или азот ($N_2$)?

Ответ: Азот ($N_2$).

Пояснение: В молекуле фтора образуется одинарная связь, в молекуле кислорода — двойная, а атомы азота связаны прочной тройной ковалентной неполярной связью (одна $\sigma$- и две $\pi$-связи), что делает молекулу $N_2$ химически очень инертной.

Вопрос 4: Сигма- и пи-связи

Проверка

Сколько $\sigma$- (сигма) и $\pi$- (пи) связей содержится в молекуле углекислого газа ($CO_2$)?

Ответ: Две $\sigma$-связи и две $\pi$-связи.

Пояснение: Структурная формула углекислого газа: $O=C=O$. Каждая двойная связь всегда состоит из одной $\sigma$-связи (образованной перекрыванием вдоль оси связывания) и одной $\pi$-связи (боковое перекрывание). Так как двойных связей две, то всего в молекуле две $\sigma$- и две $\pi$-связи.

Вопрос 1: Анализ строения: сигма- и пи-связи

Проверка

Выберите молекулу, в которой присутствуют ровно две $\sigma$-связи и две $\pi$-связи: $HCN$, $CO_2$, $N_2$, $C_2H_4$.

Ответ: $CO_2$ (углекислый газ).

Пояснение: В молекуле $CO_2$ линейное строение $O=C=O$. Каждая двойная связь состоит из одной $\sigma$- и одной $\pi$-связи. В сумме ровно две $\sigma$ и две $\pi$.

Вопрос 2: Донорно-акцепторный механизм

Проверка

В каком из ионов ($SO_4^{2-}, NH_4^+, Cl^-$) одна из ковалентных связей образована по донорно-акцепторному механизму?

Ответ: В ионе аммония ($NH_4^+$).

Пояснение: Атом азота в молекуле аммиака ($NH_3$) имеет неподеленную пару электронов (выступает как донор). Протон водорода ($H^+$) имеет свободную орбиталь (акцептор). При их взаимодействии образуется 4-я равноценная ковалентная связь.

2. Ионная химическая связь

Определение

Ионная связь — это сильное электростатическое притяжение между разноименно заряженными ионами. Возникает между элементами с большой разницей электроотрицательностей (обычно это Металл + Неметалл), а также в солях аммония.

Где встречается ионная связь?

Бинарные соединения

(Металл + Галоген/Кислород/Сера)

NaCl, K₂O, CaF₂, LiBr, MgO

Соли с кислородом

(Между металлом и кислотным остатком)

Na₂SO₄, CaCO₃, KNO₃

Щелочи

(Между металлом и OH-группой)

NaOH, Ba(OH)₂, KOH

Соли аммония

(Без металлов! Ионная связь между катионом NH₄⁺ и анионом)

NH₄Cl, (NH₄)₂SO₄

Суть: Активный металл отдает валентные электроны (становясь положительным катионом), а неметалл их принимает (становясь отрицательным анионом). Разные заряды притягиваются, образуя прочный ионный кристалл.

Вопрос 1: Поиск ионных соединений

Проверка

Из предложенного перечня выберите два вещества, имеющие ионное строение: $SO_3$, $BaCl_2$, $NH_3$, $K_2O$, $P_2O_5$.

Ответ: $BaCl_2$ и $K_2O$.

Пояснение: Ионная связь образуется между типичными металлами (барий, калий) и неметаллами (хлор, кислород). Остальные вещества ($SO_3$, $NH_3$, $P_2O_5$) состоят только из неметаллов и имеют ковалентные полярные связи.

Вопрос 2: Свойства ионных соединений

Проверка

Какое из веществ в жидком (расплавленном) состоянии хорошо проводит электрический ток: $P_4$, $SiC$, $NaCl$, $H_2O$?

Ответ: $NaCl$ (хлорид натрия).

Пояснение: Расплавы веществ с ионным типом связи (таких как поваренная соль $NaCl$) содержат подвижные заряженные частицы (ионы $Na^+$ и $Cl^-$). Они являются электролитами 2-го рода и отлично проводят электрический ток.

3. Металлическая связь

Определение

Металлическая связь — это особая связь в металлах и сплавах, которая образуется за счёт обобществления валентных электронов. В узлах кристаллической решетки металлов находятся катионы и нейтральные атомы, а между ними свободно перемещаются «электронный газ».

⚡ Именно электронный газ обуславливает главные свойства металлов:

Электропроводность
Теплопроводность
Пластичность и ковкость
Характерный металлический блеск

Примеры веществ:

Все чистые металлы:
Fe (железо), Cu (медь), Na (натрий), Au (золото), Al (алюминий), Zn, Mg, Ti и т.д.
Все сплавы:
Бронза, Латунь, Сталь, Чугун, Дюралюминий, Мельхиор.

Вопрос 1: Природа металлической связи

Проверка

Чем обусловлены такие свойства металлов, как высокая пластичность, теплопроводность и электропроводность?

Ответ: Наличием свободно перемещающегося «электронного газа».

Пояснение: В металлической решетке положительные катионы металлов скреплены обобществленными валентными электронами. Эти подвижные электроны способны направленно двигаться под действием поля или сдвигаться при деформации без разрыва связей.

Вопрос 2: Поиск веществ с металлической связью

Проверка

Выберите из списка вещество, в котором присутствует металлическая химическая связь: белый фосфор, латунь, поваренная соль, графит.

Ответ: Латунь.

Пояснение: Металлическая связь характерна не только для простых веществ-металлов, но и для их сплавов. Латунь — это сплав меди ($Cu$) и цинка ($Zn$), поэтому в ней реализуется типичная металлическая связь.

4. Водородная связь

Определение

Водородная связь — это межмолекулярное (редко внутримолекулярное) взаимодействие между электроположительным атомом Водорода (H) одной молекулы и сильно электроотрицательным атомом (F, O, N) другой молекулы.

Как быстро узнать молекулу с H-связью:

Если в молекуле есть связи H-F, H-O, H-N — значит, вещество образует водородные связи!

Примеры:

H₂O (Вода)
HF (Фтороводород)
NH₃ (Аммиак)
R-OH (Спирты)
R-COOH (Карбоновые к-ты)
Белки и ДНК

💧 Влияние на физические свойства:

Водородные связи объединяют молекулы, повышая температуру кипения и растворимость в воде.

Вещества, которые образуют водородные связи

Неорганика

H₂O

NH₃

Органика

Спирты

Карбоновые кислоты

Углеводы

Амины (кроме третичных)

Аминокислоты

Белки

Фенолы

Вопрос 1: Водородная связь

Проверка

Выберите все вещества, между молекулами которых в жидком состоянии образуются прочные водородные связи: метанол ($CH_3OH$), сероводород ($H_2S$), фтороводород ($HF$), метан ($CH_4$).

Ответ: Метанол ($CH_3OH$) и фтороводород ($HF$).

Пояснение: Для образования межмолекулярной водородной связи нужен атом водорода, непосредственно связанный с одним из наиболее электроотрицательных элементов: фтором (F), кислородом (O) или азотом (N).

Вопрос 2: Влияние на физические свойства

Проверка

Объясните с точки зрения химических связей, почему температура кипения воды ($H_2O$) аномально высока по сравнению с более тяжелым сероводородом ($H_2S$)?

Ответ: Из-за водородных связей между молекулами воды.

Пояснение: Полярные молекулы воды прочно «сшиваются» друг с другом межмолекулярными водородными связями. На разрыв этих дополнительных связей при испарении нужно затратить больше энергии. Сероводород таких связей не образует.

5. Уловки и ловушки ЕГЭ

Скрытая ковалентная неполярная связь

Ее часто забывают найти в сложных и органических веществах:

Пероксиды (Na₂O₂, H₂O₂): есть связь O–O.
Ацетилениды (CaC₂), карбиды: связь C≡C.
Пирит (FeS₂): связь S–S.
Любая органика с 2+ атомами C: связь C–C (кроме метана).

Скрытая ионная связь

Во многих солях, которые кажутся «чисто органическими», есть ионная связь!

Соли карбоновых кислот: ацетат натрия (CH₃COONa) — ИОННАЯ связь между Na⁺ и анионом.
Соли аминов: хлорид метиламмония [CH₃NH₃]Cl.
Алкоголяты и феноляты: CH₃ONa.

«Все виды связей сразу»

Типичное задание: «Выберите вещества, в которых есть и ионная, и ковалентная полярная связь».

Что искать?

Соли кислородсодержащих кислот (K₂SO₄, NaNO₃)
Щёлочи (NaOH, KOH)
Соли аммония (NH₄Cl, (NH₄)₂SO₄)

Вопрос 1: Соли аммония

Проверка

Присутствует ли ионная связь в хлориде аммония ($NH_4Cl$)?

Ответ: Да, присутствует.

Пояснение: Хотя соединение состоит исключительно из атомов неметаллов, оно построено из сложного катиона аммония ($NH_4^+$) и хлорид-аниона ($Cl^-$), между которыми существует полноценная ионная связь. Внутри же самого катиона аммония связи ковалентные полярные.

Вопрос 2: Сложные эфиры и соли

Проверка

Какие типы связей есть в сульфате натрия ($Na_2SO_4$)?

Ответ: Ионная и ковалентная полярная.

Пояснение: В сульфате натрия присутствует ионная связь (между катионами натрия $Na^+$ и сложным сульфат-анионом $SO_4^{2-}$) и ковалентная полярная связь (между атомами серы и кислорода внутри самого сульфат-аниона).

Пройди тест по теме

Проверь свои знания по типам химической связи. Задания формата ЕГЭ.

Начать тест →

Вопрос 1: Смешанные типы связей

Проверка

Выберите из списка вещество, содержащее как ковалентные полярные, так и ионные химические связи: $CO_2$, $K_2SO_4$, $NaCl$, $H_2O$.

Ответ: $K_2SO_4$ (сульфат калия).

Пояснение: Ионная связь существует между катионами калия ($K^+$) и сложными сульфат-анионами ($SO_4^{2-}$). Внутри же самого кислотного остатка атомы серы и кислорода жестко связаны ковалентными полярными связями.

Вопрос 2: Органические соли

Проверка

Присутствует ли ионная связь в бромиде метиламмония ($[CH_3NH_3]Br$)?

Ответ: Да, присутствует.

Пояснение: Как и в неорганических солях аммония, соли аминов состоят из органического катиона (в данном случае метиламмония) и аниона кислотного остатка (бромида). Между ними реализуется классическая ионная связь.

Предыдущая тема Степени окисления

Следующая тема Кристаллические решетки