Ковалентная связь

Для многих неметаллических твердых тел характерна химическая связь, называемая ковалентной или гомеополярной. Это связь, при которой пара электронов одновременно принадлежит двум атомам. В результате между двумя этими атомами имеется высокая плотность электрического заряда.

Ковалентные соединения существуют в форме молекул либо каркасных кристаллических структур. Ковалентные связи существуют еще и в многоатомных (комплексных) ионах.

Если при ионном типе связи соединяющиеся атомы проявляют противоположную электрическую природу (одни легко отдают один или несколько валентных электронов, другие легко их приобретают), то при образовании ковалентной связи способность к потере или присо­единению электронов у обоих соединяющихся атомов приблизительно одинакова. В идеальном случае ковалентная связь образуется между одинаковыми атомами (например, в молекуле кислорода, водорода и др.). В каждом случае такая связь характеризуется наличием общей пары электронов с антипараллельными спинами. Возникновение кова­лентной связи обусловлено переходом системы в энергетически более выгодное состояние с минимумом потенциальной энергии.

Ковалентная связь предполагает наличие спаренных электронов между данными атомами. Таким образом, если кулоновское притяжение возникает в электрическом поле во всех направлениях, то ковален­тная связь имеет ориентировку, т.е. направлена определенным образом в пространстве. Вследствие этого координационное число атома углерода всегда равно 4, несмотря на то, что в окружающем пространстве могло бы разместиться гораздо больше небольших по размеру атомов, например, водорода. Следовательно, координацион­ное число у атомов с ковалентными связями зависит не только от отношения радиусов.

Так как ковалентные связи имеют определенную ориентировку в пространстве, то их расположение характеризуют средним углом связи. Здесь говорится о «среднем» угле, так как атомы в молеку­ле находятся в непрерывном движении, совершая примерно 10¹³ колеба­ний в секунду; следовательно, в каждый момент времени истинный угол может быть различным. Угол связи 109.5^о характерен для всех технических материалов, в которых четыре одинаковых атома связаны с центральным атомом (например, CH₄, CCl₄, SiF₄, алмаз, металлический кремний, SiC и др.).

В некоторых молекулах и многоатомных ионах ковалентная связь образуется в результате обобществления двумя атомами пары электронов, поставщиком которых является только один из этих атомов. Атом, поставляющий для образования связи неподеленную пару электронов, называется донором электронной пары. Атом, обобществляющий с донором такую пару электронов, называется акцептом электронной пары. Возникающий в таких условиях тип связи называется донорно-акцепторной (координационной).

Схему возникновения ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму можно представить следующим образом:

А: +^® В ® А:В

донор акцептор

Образование химических связей по донорно-акцепторному меха­низму наиболее распространено в комплексных соединениях, к числу которых относятся и широко используемые в технологии вяжущих материалов кристаллогидраты.

Изучению структуры, химизма и свойств кристаллогидратов уделяется большое внимание. Особенно это относится к гидросилика­там, гидроалюминатам, гидроферритам и гидросульфоалюминатам кальция, которые являются продуктами гидратации портландцемента - основного представителя гидравлических вяжущих веществ. Из при­родных кристаллогидратов большое значение имеют гидросиликаты магния (хризотил-асбест, серпентинит и т.д.), гидросиликаты алюминия (каолинит и другие глинистые минералы), а также водные силикаты и алюмосиликаты.

Ионный и ковалентный типы связи являются двумя предельными случаями множества существующих химических связей, которые в действительности чаще всего имеют промежуточный характер. На рис.2.1 (см. Фистуль, рис.1.5, с.35) приведены схемы взаимодействия атомов при разных видах химической связи и примеры твердых тел с тем или иным видом ее смешения.

Структура неорганических веществ отличается большим многооб­разием в зависимости от природы и числа частиц, входящих в их состав. Таким образом, природа и соответственно прочность химичес­кой связи в веществах диктуют необходимость обоснованного выбора параметров технологического процесса и соответствующего оборудо­вания для его реализации.

Дата добавления: 2015-11-30