Образование химических соединений обусловлено возникновением химической связи между атомами в молекулах и кристаллах.
Химическая связь – это взаимное сцепление атомов в мелекуле и кристаллической решетке в результате действия между атомами электрических сил притяжения.
Появление атомной модели Бора, впервые объяснившей строение электронной оболочки атома, способствовало созданию представления о химической связи и ее электронной природе. В 1915 году немецкий физик Коссель дал объяснение химической связи в солях, в 1916 году американский физико-химик Льюис предложил трактовку химической связи в молекулах. Коссель и Льюис исходили из представления о том, что атомы элементов обладают тенденцией к достижению электронной конфигурации благородных газов. Атомы благородных газов, кроме элемента первого периода – гелия, имеют во внешнем электронном слое, т.е. на высшем энергетическом уровне, устойчивый октет (восемь электронов); при таком строении способность атомов к участию в химических реакциях минимальна, например, в противоположность атомам водорода, кислорода, хлора и другим, атомы благородных газов не образуют двухвалентных молекул. Представления Косселя и Льюиса получили в истории химии название октетная теория, или электронная теория валентности.
Валентность элементов главных групп Периодической системы зависит от числа электронов, находящихся во внешнем слое электронной оболочки атома. Поэтому эти внешние электроны принято называть валентными. Все изменения, происходящие в электронных оболочках атомов при химических реакциях, касаются только валентных электронов. Для элементов побочных групп в качестве валентных могут выступать как электроны высшего энергетического уровня, так и электроны внутренних незавершенных подуровней.
Развитие квантово-механических представлений о строении атома и создание орбитальной модели атома привели к возникновению двух современных научных подходов для объяснения химической связи – метод валентных связей (МВС) и метод молекулярных орбиталей (ММО). Оба метода дополняют друг друга и позволяют трактовать процесс формирования химической связи и выяснить внутренне строение веществ.
Различают три основных (модельных) типа химической связи:
- Ковалентная химическая связь;
- Ионная химическая связь;
- Металлическая химическая связь.
Эти типы химической связи не существуют изолированно друг от друга в реальных веществах, они являются только моделями различных форм химического связывания, которые реализуются в действительности как промежуточные формы химической связи.
Химическая связь Ионная Ковалентная Металлическая Связываемые атомы Атом металла и атом неметалла Атомы неметаллов (реже – атомы металлов) Атомы металлов Характер элементов Электроположительный и электроотрицательный Электроотрицательный (реже – электроположительный) Электроположительный Процесс в электронной оболочке Переход валентных электронов Образование общих электронных пар, заполнение молекулярных орбиталей Отдача валентных электронов Образующиеся частицы Положительные и отрицательные ионы Молекулы Положительные ионы и электронный газ Кристаллическая решетка Ионная Молекулярная; Атомная Металлическая Характер вещества Солеобразный Летучий или нелетучий (макромолекулярный); Алмазоподобный Металлический Примеры NaCl, CaO, NaOH, Li3N Br2, CO2, C6H6, крахмал; Алмаз, Si, SiC, B4C Металлы и сплавы |
Значительно более слабые, чем ковалентная, ионная и металлическая связи, межмолекулярные силы, которые обеспечивают взаимное удерживание молекул в молекулярных кристаллических решетках, например в решетке твердого диоксида углерода, или в жидкостях, например в воде. Эти силы называются силы Ван-дер-Ваальса.