Металлическая химическая связь и ее особенности. Водородная химическая связь. Межмолекулярные взаимодействия

Содержание
Введение…………………………………………………………………… 3
1 Металлическая химическая связь и ее особенности ……………………. 5
2 Водородная химическая связь …………………………………………… 9
3 Межмолекулярные взаимодействия …………………………………....... 11
Заключение………………………………………………….…………….. 13
Список использованной литературы…………………………………….. 14

ВВЕДЕНИЕ
Знание природы взаимодействия атомов в веществе позволяет понять причины многообразия химических соединений, их строение и механизм их образования, реакционную способность и суть химических реакций. Поэтому важно изучать строение молекул и теорию химической связи.
В основе теории химической связи лежит представление о том, что устойчивым состоянием атома является такое, при котором его внешний электронный слой завершен, т.е. содержит 8 электронов (для элементов 1 периода – 2 электрона). Элементы, атомы которых имеют завершенные внешние энергетические уровни имеют название инертных, благородных газов. Их все 6 – это Не, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn. Инертные газы с трудом вступают в реакции и из всех химических элементов только они находятся в природе в атомном состоянии. Все это объясняется устойчивостью (завершенностью) электронных оболочек этих химических элементов.
Атомы остальных химических элементов имеют незавершенные внешние уровни и в процессе химических реакций стремятся приблизить свою электронную конфигурацию к электронной конфигурации ближайшего инертного газа, т.е. завершить внешний уровень путем:
образования общих электронных пар
отдачи или присоединения электронов
обобществления электронов
Эти процессы приводят к образованию химических связей. Таким образом, в образовании химической связи принимают участие электроны, расположенные на внешней оболочке атома, так называемые валентные электроны. В результате образования химической связи каждый атом принимает устойчивую двух или восьми электронную конфигурацию. Существует несколько типов химической связи, важнейшие из них – ковалентная (неполярная и полярная), ионная, металлическая и водородная. Тип химической связи зависит от того, насколько велика разность значений электроотрицательностей соединяющихся атомов элементов. Чем больше отличаются по электроотрицательности атомы элементов, образующих связь, тем химическая связь полярнее. Провести резкую границу между типами химических связей нельзя. В большинстве соединений тип химической связи оказывается промежуточным. Помимо этого, между молекулами могут образовываться межмолекулярные взаимодействия, не приводящие к образованию химических связей. Рассмотрим подробнее природу металлической, водородной связей и межмолекулярных взаимодействий.
Металлическая химическая связь и ее особенности
Атомы металлов характеризуются тремя особенностями.
Наличие 1—3 электронов на внешнем энергетическом уровне. Есть, однако, элементы, у которых имеется большее количество валентных электронов. Например, олово и свинец имеют четыре валентных электрона, сурьма и висмут — пять, а полоний — шесть. Все, же эти элементы являются металлами, т.к. у них проявляется вторая особенность, присущая атомам металлов.
Сравнительно большой радиус.
Наличие большого числа свободных орбиталей. Например, у атома натрия, один валентный электрон располагается на третьем энергетическом уровне, который имеет девять орбиталей (одну s-, три р- и пять d-орбиталей).
При сближении атомов металлов их свободные орбитали перекрываются, и валентные электроны получают возможность перемещаться с орбитали одного атома на свободные и близкие по энергии орбитали соседних атомов. Атом, от которого «ушел» электрон, превращается при этом в положительно заряженный ион - катион. В результате этого в кусочке металла формируется совокупность электронов, которые непрерывно перемещаются между ионами. При этом, притягиваясь к положительным ионам металла, электроны вновь превращают их в атомы, затем снова отрываются, превращая в ионы, и так бесконечно (Рис.1). Следовательно, в простых веществах — металлах существует бесконечный процесс превращений «атом - ион», который осуществляют валентные электроны, а частицы, из которых состоят металлы, называются атом-ионами. Электроны, способные легко переходить от одного атома к другому называют обобществленными электронами.
Рис. 1
Образование металлической связи условно можно изобразить схемой:
Аналогичный процесс происходит в металлических сплавах.
Таким образом, металлическая связь – это связь в металлах и сплавах, которая осуществляется совокупностью валентных электронов между атом-ионами металлов.
Металлическая связь неразрывно связана и с особым кристаллическим строением металлов и сплавов - металлической кристаллической решеткой, в узлах которой расположены атом-ионы. Металлическая кристаллическая решетка и металлическая связь определяют все наиболее характерные свойства металлов: ковкость, пластичность, электро- и теплопроводность, металлический блеск, способность к образованию сплавов.
Пластичность — важнейшее свойство металлов, выражается в их способности деформироваться под действием механической нагрузки. Это свойство металлов лежит в основе их обработки давлением (ковки, прокатки и др.), вытягивании из металлов проволоки под действием силы. Пластичность металла объясняется тем, что под внешним воздействием одни слои атом-ионов в кристаллах легко смещаются, как бы скользят друг относительно друга без разрыва связи между ними. Некоторое представление об этом может дать простейший опыт-модель. Если между двумя плоскими стеклянными пластинками поместить несколько капель воды, то зеркальца будут легко скользить друг по другу, а вот разъединить их будет достаточно трудно. В этом опыте вода играет роль совокупности валентных электронов металла.
Наиболее пластичны золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить самую тоненькую фольгу толщиной всего 0,003 мм. Она называется сусальное золото, наносится на гипсовые, лепные украшения, деревянную резьбу или другие предметы. Такой способ использовался, например, при воссоздании знаменитой Янтарной комнаты в Большом Екатерининском дворце в Царском селе.
Высокая электропроводность металлов обусловлена наличием в них совокупности подвижных электронов, которые под действием электрического поля приобретают направленное движение. Лучшими проводниками электрического тока являются серебро и медь. Немного уступает им алюминий. Однако в большинстве стран чаще электропроводка изготавливается не из меди, а из более дешевого алюминия. Хуже всего электрический ток проводят марганец, свинец и ртуть, также вольфрам и некоторые другие тугоплавкие металлы. Электрическое сопротивление вольфрама настолько велико, что он начинает светиться при прохождении через него тока, что используют для изготовления нитей в лампах накаливания.
Теплопроводность металлов также объясняется высокой подвижностью электронов, которые, сталкиваясь с колеблющимися в узлах решетки атом-ионами металлов, обмениваются с ними энергией. С повышением температуры эти колебания ионов с помощью электронов передаются другим ионам, и температура металла быстро выравнивается. Практическое значении теплопроводности металлов нашло применение в быту: кухонная металлическая посуда равномерно нагревается, находясь на включенной конфорке.
Гладкая поверхность металла имеет металлический блеск, который является результатом отражения световых лучей. Высокой световой отражательной способностью обладают ртуть, серебро, палладий и алюминий. Из последних трех металлов изготавливают зеркала, прожектора и фары. Раньше и ртуть использовали для производства венецианских зеркал, однако, впоследствии из-за её токсичности ртуть перестали использовать для этой цели.
В порошке металлы теряют блеск, приобретая черную или серую окраску, только магний и алюминий сохраняют его. Поэтому из алюминиевой пыли изготавливают краску серебрянку. Большинство металлов имеют серебристо-белый цвет. Золото и медь окрашены соответственно в красно-желтый (червонный) или красно-желтый (медный) цвета. 
Металлическая химическая связь и металлическая кристаллическая решетка характерны не только для чистых металлов, но для их сплавов. Металлические сплавы обладают другими, нередко более полезными свойствами, чем составляющие их чистые металлы. Например, у первого полученного человеком сплава — бронзы прочность выше, чем у составляющих ее меди и олова. Сталь и чугун прочнее чистого железа.
Чистый алюминий — очень мягкий металл, сравнительно непрочный на разрыв. Но сплав, состоящий из алюминия, магния, марганца, меди, никеля, называемый дюралюминием, в 4 раза прочнее алюминия на разрыв и используется в самолетостроении, а потому образно называется «крылатым» металлом.
Чистые металлы используют редко, чаще применяют их сплавы. Из чуть более 80 известных металлов созданы десятки тысяч различных сплавов. Кроме большей прочности сплавы обладают и более высокой коррозионной стойкостью и твердостью, лучшими литейными свойствами, чем чистые металлы. Так, чистая медь очень плохо поддается литью, а оловянная бронза имеет прекрасные литейные качества, из нее отливают художественные изделия, которые требуют тонкой проработки деталей. Чугун (сплав железа с углеродом) также великолепный литейный материал. Кроме высоких механических качеств, сплавам присущи свойства, которых нет у чистых металлов. Например, нержавеющая сталь (сплав на основе железа) даже в агрессивных средах обладает высокой коррозионной стойкостью и жаропрочностью. На основе вольфрама, молибдена, титана и других металлов создают устойчивые к коррозии, сверхтвердые и тугоплавкие сплавы, применение которых значительно расширило возможности машиностроения. В ядерной и космической технике из сплава вольфрама и рения делают детали, выдерживающие температуру до 3000 °С. В медицине используют хирургические инструменты и имплантаты из сплавов тантала и платины .Водородная связь
Рассмотрим образование водородных связей между молекулами воды. Водородная связь изображается тремя точками.
Возникновение водородной связи обусловлено уникальной особенностью атома водорода. Т. к. атом водорода содержит только один электрон, то при оттягивании общей электронной пары другим более электроотрицательным атомом (в молекуле воды – это кислород), он приобретает частично положительный заряд, соответственно атом кислорода, оттянувший на себя электрон, приобретает частично отрицательный заряд. Таким образом, образуется диполь – молекула с двумя противоположно заряженными полюсами.
Между атомом водорода одной молекулы и атомом кислорода другой молекулы образуется водородная связь. (рис. 2)
Рис. 2
Аналогично водородная связь возникает, если молекула содержит вместо кислорода фтор и азот, которые также обладают высокой электроотрицательностью.
Примеры веществ, способных образовывать водородную связь, приведены на рис. 3.
Рис.3
Возникновение межмолекулярных водородных связей приводят к тому, что образуются ассоциации молекул, в результате чего повышаются температуры кипения и плавления вещества. Например, этиловый спирт C2H5OH, способный к ассоциации, кипит при +78,3°С, а диметиловый эфир СН3ОСН3, не образующий водородных связей, лишь при 24°С (молекулярная формула обоих веществ С2Н6О).
Если бы не было водородных связей, то температуры плавления и кипения воды были бы существенно ниже, как это наблюдается у других водородных соединений неметаллов.
Сильные водородные связи между молекулами воды препятствуют ее плавлению и испарению.
Наличие водородных связей влияет и на кислотные свойства многих веществ. Фтороводородная кислота, в отличие от других галогеноводородных кислот является слабой, так как атомы водорода связаны сразу с двумя атомами фтора, что препятствует их отщеплению (по той же причине большинство карбоновых кислот являются слабыми).
Образование водородных связей с молекулами растворителя способствует улучшению растворимости. Так, метиловый и этиловый спирты (CH3OH, С2Н5ОН), образуя водородные связи с молекулами воды, неограниченно в ней растворяются.
Если водородная связь объединяет части одной молекулы, то говорят о внутримолекулярной водородной связи. Это особенно характерно для многих органических соединений. За счет водородной связи образуется вторичная структура белков, двойная спираль ДНК.
Межмолекулярные взаимодействия
Межмолекулярное взаимодействие - взаимодействие между электрически нейтральными молекулами или атомами, не приводящее к разрыву или образованию новых химических связей. Эти взаимодействия существенно слабее ковалентных и не приводят к существенной перестройке электронного строения взаимодействующих частиц. Силы межмолекулярного взаимодействия впервые принял во внимание Я. Д. Ван-дер-Ваальс (1873) для объяснения свойств реальных газов и жидкостей.
Межмолекулярное взаимодействие имеет электрическую природу и складывается из сил притяжения и сил отталкивания. На больших расстояниях преобладают силы притяжения, которые могут иметь ориентационную, поляризационную (индукционную) и дисперсионную природу. На малых расстояниях начинают преобладать силы отталкивания электронных оболочек частиц. Особым случаем является водородная связь - возникающее на малом расстоянии взаимодействие между атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом другой.
Вандерваальсово взаимодействие состоит из трёх типов слабых электромагнитных взаимодействий:
Ориентационные силы, диполь-дипольное притяжение
Осуществляется между полярными молекулами. Примером может служить  HYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D1%8F%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BA%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%B0" \o "Соляная кислота" HCl в жидком и твёрдом состоянии. Эта сила возникает благодаря тому, что расстояния между разноимёнными зарядами немного меньше, чем между одноимёнными. В результате притяжение диполей превосходит их отталкивание. Взаимодействие диполей зависит от их взаимной ориентации, и поэтому силы дипольного взаимодействия называются ориентационными. Хаотическое тепловое движение непрерывно меняет ориентацию полярных молекул, но, как показывает расчёт, среднее по всевозможным ориентациям значение силы имеет определённую величину, не равную нулю.
Дисперсионное притяжение (лондоновские силы) - это притяжение диполя и неполярной молекулы. Происхождение дисперсионных сил было объяснено в 1930 году Фрицем Лондоном. Возникают они потому, что в атоме существуют колебательные движения ядра и электронов относительно друг друга. В результате возникают флуктуирующие (виртуальные) диполи. Они в свою очередь вызывают возникновение мгновенных диполей у соседних молекул. Движение мгновенных димполей согласованно, их появление и распад происходит синхронно. Энергия дисперсионного взаимодействия обратно пропорциональна расстоянию между центрами частиц. Для неполярных молекул это взаимодействия является единственной составляющей вандервальсовых сил.
Индукционное притяжение 
Взаимодействие между постоянным диполем и наведённым (индуцированным). Диполи могут воздействовать на неполярные молекулы, превращая их в индуцированные (наведенные диполи). Между постоянными и наведенными диполями возникает притяжение. Энергия индукционного взаимодействия значительно меньше энергии ориентационного.
Заключение
Подведем итог всему вышесказанному. Химическая связь – это взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы. Химическая связь по своей природе едина: она имеет электростатическое происхождение. Но в разнообразных химических соединениях химическая связь бывает различного типа.
Между атомами металлов возникает металлическая связь. Понятие металлической связи неразрывно связано с представлением о металлах как совокупности положительно заряженных ионов, с большими промежутками между ними, заполненными электронным газом, при этом на макроскопическом уровне система остается электрически нейтральной.
Водородная связь является особым видом химической связи. Она гораздо более слабая, чем ионная или ковалентная связь, но более сильная, чем обычное межмолекулярное взаимодействие. Водородную связь можно считать особым случаем межмолекулярного взаимодействия, т.к. природа её -   возникающее на малом расстоянии взаимодействие между атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом другой молекулы.
 В наиболее широком смысле под межмолекулярным взаимодействием можно понимать такие взаимодействия между любыми частицами (молекулами, атомами, ионами), при которых не происходит образования химических, т. е. ионных, ковалентных или металлических связей. Иными словами, эти взаимодействия существенно слабее ковалентных и не приводят к существенной перестройке электронного строения взаимодействующих частиц.
Список использованной литературы
1. Воскресенский П.И., Цветков Л.А. и др. Справочник по химии.– М., 1974.
2. Габриелян О.С. Химия. 11 класс. Базовый уровень.  2-е изд., стер. – М.: Дрофа, 2007. – 220 с.
3. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – 14-е изд. – М.: Просвещение, 2012.
4. Жмырко Т.Г. [Электронный ресурс] Конспект лекций по дисциплине «Химия»., 2013 г