Разделение химически активных элементов на металлы и неметаллы позволяет подразделить химические связи на три основных типа: металлическую ( реализуется между металлом и неметаллом ), ковалентную ( между неметаллом и неметаллом ) и ионную ([NaCl, LiF] между сильно электроположительными атомами металлов и электроотрицательными атомами неметаллов. Поскольку она существует между противоположно заряженными ионами, то ее называют гетерополярной. ).
Металлическую и ковалентную связи относят к гомополярным.
Ионная связь возникает при образовании вещества из разноименных атомов. При этом атом одного химического элемента (металла) отдает валентный электрон, слабо связанный с атомом, а другой (как правило, галоген) присоединяет или захватывает электрон, достраивая орбиту атома до устойчивого состояния (8 электронов). В результате образуются два иона, между которыми действуют силы кулоновского электростатического притяжения. Ионные связи взаимодействия достаточно велики, поэтому вещества с ионной связью имеют сравнительно высокую механическую прочность, температуру плавления и испарения. Такие связи наиболее характерны для неорганических диэлектриков, имеющих в своем составе ионы противоположных знаков
Донорно-акцепторная связь является разновидностью ионной связи и возникает при образовании вещества элементами различных групп таблицы Менделеева, например соединения типа АIIIBV. В таких полупроводниковых соединениях атом одного элемента, называемый донором, отдает электрон атому другого элемента, называемого акцептором. В результате возникает донорно-акцепторная химическая связь, являющаяся достаточно прочной. Материалы с такой связью могут быть диэлектриками и полупроводниками.
Ковалентная (атомная) связь возникает между атомами путем образования общих пар валентных электронов – по одному от каждого атома. Такая пара электронов устойчива в результате обменного взаимодействия при противоположной ориентации спиновых и соответствующих орбитальных магнитных моментов электронов.
Ковалентная неполярная связь возникает при объединении одноименных атомов и молекул, например H2, O2, Cl2, N2, S, алмаз, и др. Молекулы с ковалентной неполярной связью имеют симметричное строение, т.е. Центры положительно-го и отрицательного зарядов совпадают. В результате электрический момент молекулы равен нулю, т. е. она неполярная или нейтральная. Ковалентная неполярная связь характерна для диэлектриков и полупроводников.
Ковалентная полярная связь возникает при объединении разноименных атомов, например H2O, CH4, CH3Cl, CCl4 и др. При этом также происходит обобществление пар валентных электронов и дополнение внешней оболочки до устойчивого состояния. Однако каждая связь имеет дипольный момент. Тем не менее молекула может быть нейтральной или полярной.
В отличие от ионной атомная связь имеет направленный характер – она образуется в том направлении, в котором расположена наибольшая плотность объединенных электронов. Поэтому вещества с ковалентными связями обычно твердые и хрупкие. К ним относятся кристаллы германия, кремния, алмаза, соединения элементов из средних групп таблицы Менделеева – SiC, BN. Соединения с гомеополярной связью могут быть диэлектриками (полимерные органические материалы - полиэтилен, политетрафторэтилен) и полупроводниками.
Металлическая связь возникает между атомами в металлах и является следствием обобществления всех валентных электронов, образующих электронный газ и компенсирующих заряд ионов кристаллической решетки. Обобществленные электроны слабо связаны с атомами (ионами) и с энергетической точки зрения являются свободными. Поэтому уже при очень слабых внешних электрических полях проявляется высокая электропроводность металлов. «Электронный газ» оказывает цементирующее действие на кристаллическую структуру металлов и приводит к их высокой теплопроводности и электропроводности. Ненаправленный характер связи обусловливает высокую пластичность металлов.
Молекулярная (или остаточная) связь возникает между отдельными молекулами за счет электростатического притяжения между имеющимися в них зарядами противоположных знаков (силы Ван-дер-Ваальса). Эти связи удерживают вместе молекулы в твердом водороде, азоте, углекислом газе, во многих органических соединениях (парафин). Ввиду слабости молекулярных связей эти вещества легко разрушаются при тепловом движении молекул и имеют низкие температуры плавления и кипения.
Водородная связь осуществляется в результате кулоновского взаимодействия иона H+ (протона) с «дополнительным» отрицательным ионом азота, кислорода, хлора и др.
Она не образуется с ионами, с которыми водород вступает в ковалентную связь. Образование водородной связи можно объяснить следующим образом. Электроотрицательный атом, «оттягивая» электрон от ядра атома водорода, приобретает положительный заряд, равный заряду протона. Этот протон и осуществляет связь между атомами. Из-за малого размера ядра атома водорода водородная связь осуществляется только между двумя атомами.
Типичным примером водородной связи является связь между молекулами воды. Атом кислорода одной молекулы воды и атом водорода другой молекулы образуют диполь с зарядами +q и –q на полюсах. Притяжение между этими зарядами приводит к возникновению водородной связи.
Основные виды связи между атомами (ионами) в конденсированных телах:
а – ионная связь в кристалле хлористого натрия;
б – металлическая связь; в – ковалентная связь между атомами алмаза;
г – силы Ван-дер-Ваальса между атомами аргона;
д – водородная связь в молекуле НF2
Энергию связи многоатомных молекул определяют как энергию диссоциации (растворение, распад). Для многоатомных молекул эта величина является условной и отвечает энергии такого процесса, при котором данная химическая связь исчезает, а все остальные остаются без изменения. По энергетическому признаку связи подразделяют на сильные (≥ 500 кДж/моль), слабые (от 100 до 15 кДж/моль) и ван-дер-ваальсовые (≤ 5 кДж/моль).