Несколько слов о химических связях

Наш удивительный мир так разнообразен благодаря тому, что атомы всего 118 элементов способны соединяться друг с другом, образуя более 20 миллионов различных веществ. Эти вещества могут состоять из молекул или иметь немолекулярное строение, но, в любом случае, внутри них действуют силы, которые удерживают несколько атомов вместе: эти силы и называются химическими связями. Как мы уже знаем, на структурных формулах они обозначаются черточками:


вода	уксусная кислота

При нормальных условиях в виде разрозненных атомов могут существовать только благородные газы: He, Ne, Ar и др. Атомы остальных элементов сами по себе не слишком устойчивы, в отличие от образуемых ими веществ:

атомы водорода и кислорода,
неустойчивы

молекула воды — самого распространенного вещество на Земле

Именно в поисках более устойчивого состояния атомы и образуют друг с другом химические связи: это выгодно каждому из них.

Химическая связь возникает, например, если два атома объединяют по одному своему электрону: при этом образуется общая электронная пара, которую притягивает к себе положительно заряженное ядро как первого атома, так и второго. Если связь возникает между атомами одного элемента, электронная пара находится ровно посередине между атомами (рис. 1):

Серия «Элементы и соединения»

Из чего состоят атомы

Несколько слов о химических связях

Неорганические соединения. Оксиды

Основания и кислоты

Соли

Рис. 1

Связь между двумя атомами водорода



05	Однако, в большинстве случаев, один из атомов как бы «перетягивает» пару к себе (рис. 2):

Рис. 2

Связь между атомом бора и атомом водорода



07	Атомы могут предоставлять для образования общих электронных пар не по одному, а по два или даже три электрона — в этом случае и связей будет две или три. Иногда один из атомов способен даже оторвать электрон от другого атома: это тоже причина возникновения связи (рис. 3):

Рис. 3

Водород оторвал один электрон от лития и приобрел отрицательный заряд; литий приобрел положительный заряд

Количество связей, которое образует элемент в каком-либо химическом соединении, называется его валентностью; обозначать ее принято римскими цифрами. Рассмотрим три структурные формулы:


вода	фосфорная кислота	бромид алюминия

На них видно, что водород и бром проявляют валентность I, кислород — II, валентность алюминия — III, а фосфор — пятивалентен. В истинных и эмпирических формулах валентность указывается над символом элемента:

В названиях соединений валентность упоминается в скобках после названия элемента, например «соединение углерода (IV) и серы (II)».

Если электроны частично (рис. 2) или полностью (рис. 3) покидают один атом и переходят к другому, то электронейтральность каждого из них нарушается, т. е. они становятся электрически заряженными. Условный заряд, приобретаемый атомами при образовании химической связи, называется степенью окисления. Как и любой заряд, степень окисления может быть отрицательной или положительной. Она также указывается над символом элемента в истинных и эмпирических формулах, причем вместо +1 или –1 обычно пишут просто + или –, например:

Отрицательная степень окисления равна количеству электронов, которые атом перетянул к себе или оторвал от других атомов. Положительная степень окисления равна количеству электронов, которые атом позволил оттянуть или оторвать от себя другим атомам.

На рис. 1 видно, что электронная пара расположена ровно посередине между двумя атомами. Это объясняется тем, что в простых веществах все атомы одинаковые, и каждый из них, очевидно, обладает равными способностями по «перетягиванию» электронов от соседа, поэтому имеет степень окисления, равную 0.

Валентность и степень окисления — очень похожие понятия; как правило, взятая по модулю степень окисления элемента совпадает с его валентностью, но бывают и исключения. Например, в молекуле азота N₂ каждый из атомов имеет валентность III, а степень окисления — 0, т. к. азот — простое вещество:

Такая же ситуация наблюдается и в различных углеродных наноматериалах. Приставка на́но означает 10^–9, т. е. одну миллиардную долю; в данном случае речь идет о нанометрах — именно такой порядок имеют размеры «нанообъектов», в частности углеродных нанотрубок (рис. 4).

Рис. 4

Схема фрагмента углеродной нанотрубки. В каждом узле расположен один атом углерода

В них каждый атом углерода проявляет валентность IV, поскольку соединяется с четырьмя соседними атомами, но имеет степень окисления 0, т. к. нанотрубка представляет собой простое вещество. Нанотрубки используются при изготовлении микросхем нового поколения, в новейших медицинских технологиях для доставки лекарств по тончайшим капиллярам, а также в других перспективных областях. Фотография углеродной нанотрубки, сделанная мощным электронным микроскопом, приведена на рис. 5.

Рис. 5

Углеродное нановолокно

Оригинал опубликован на сайте нанотехнологического сообщества «Нанометр»



18	В своем большинстве элементы могут проявлять разные значения валентности и степени окисления, в зависимости от того, в состав каких соединений они входят. Однако, для некоторых элементов эти показатели практически всегда неизменны; они приведены в таблице.

Таблица. Элементы с постоянной валентностью и степенью окисления

элементы	валентность	степень окисления в сложных веществах
H	I	почти всегда +1
F	I	–1
щелочные металлы: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr	I	+1
O	II	почти всегда –2
щёлочно-земельные металлы: Ca, Sr, Ba, Ra	II	+2
Be, Mg, Zn	II	+2
Al, Ga	III	+3

Кроме того, с помощью таблицы Менделеева можно определить максимальную валентность и высшую (т. е. наибольшую положительную) степень окисления для элементов основных подгрупп: она совпадает с номером группы, в которой расположен элемент. Например, для серы — это VI и +6. Для того, чтобы определить низшую, т. е. наибольшую отрицательную степень окисления, необходимо из номера группы вычесть 8: для серы она будет равна –2.

Как известно, любая молекула электронейтральна, поэтому сумма степеней окисления всех входящих в ее состав атомов должна быть равна нулю. В молекуле воды атом кислорода имеет степень окисления –2, а атомы водорода — по +1. В сумме: 2·(+1) + (–2) = 0.

Так, с помощью истинной или эмпирической формулы легко определить степень окисления одного из атомов, если для всех остальных она известна. Для этого следует: обозначить за x искомую степень окисления, приравнять сумму всех степеней окисления к нулю и решить составленное уравнение. Допустим, требуется найти степень окисления марганца в соединениях MnO₂ и KMnO₄:

ставим над атомами кислорода и калия степени оксиления, которые изестны нам из таблицы; обозначаем за x степень окисления марганца:
приравниваем сумму всех степеней окисления к нулю, т. к. любая молекула электронейтральна:

x + 2(–2) = 0 1 + x + 4(–2) = 0