Ионная связь

Внутримолекулярные и межмолекулярные  водородные связи играют огромную роль в химии природных органических соединений.

Уникальные свойства белков во многом объясняются способностью участков полипептидной цепи молекулы белка соединяться друг с другом водородными связями. Именно водородные связи определяют уникальную для  каждого белка форму его макромолекулы.

Молекулы  дезоксирибонуклеиновых кислот - ДНК - представляют собой двойные  спирали, которые связаны друг с  другом именно водородными связями. Определенная последовательность и  расположение в пространстве групп  атомов, способных образовывать водородные связи, обеспечивает функционирование биологического механизма копирования  молекул. Неужели передача наследственной информации и само существование  жизни на Земле невозможно без  водородных связей? Вопрос риторический.

Следует заметить также, что  водородная связь по своей энергии (примерно 20-40 кДж/моль) и прочности  занимает промежуточное положение  между ковалентной химической связью и физическим межмолекулярным взаимодействием (Ван-дер-Ваальсовыми силами).

Межмолекулярное взаимодействие. Силы Ван-дер-Ваальса.

Во второй половине XIX века, изучая свойства газов, голландский физик Я.Д. Ван-дер-Ваальс обнаружил, что поведение реальных газов заметно отличается от свойств идеального газа. Ван-дер-Ваальс объяснил это отличие необходимостью учета собственных размеров молекул газа, а также действием между молекулами (в зависимости от расстояния между ними) сил отталкивания и сил притяжения, которые позже были названы его именем .

Природа сил отталкивания молекул на близких расстояниях  понятна – кулоновское взаимодействие ядер атомов, составляющих молекулу (см. стр. 4), невозможность перекрывания орбиталей, занятых парами электронов (вспомните принцип Паули), деформация молекул, требующая энергетических затрат…

А чем может объясняться  притяжение молекул, ведь они не имеют  электрического заряда? Да и водородные связи способны образовывать далеко не все из них…

Тогда за счет чего могут  притягиваться друг к другу молекулы, не образующие водородных связей? Давайте  рассуждать.

Прежде всего вспомним, что ковалентная связь между атомами элементов с различной электроотрицательностью является полярной. Количественной мерой полярности связи служит величина дипольного момента, определяемая произведением величины эффективного заряда полюсов диполя на расстояние между ними. Дипольный момент - вектор, направленный (условно) от центра положительного заряда к центру заряда отрицательно. Дипольный момент молекулы в целом равен векторной сумме дипольных моментов всех полярных связей в ней. Например, молекула оксида серы (IV) полярна, ее дипольный момент отличен от нуля. В тетрахлорметане каждая из четырех связей С-Cl является полярной, однако, благодаря специфике их взаимного расположения, сумма дипольных моментов всех связей в молекуле равна нулю, ССl₄ - неполярное вещество:

При сближении двух полярных молекул они ориентируются в  пространстве таким образом, что  положительный заряд одного диполя располагается рядом с отрицательным  зарядом другого диполя, между  ними возникает сила электростатического  притяжения, образуется относительно непрочное соединение (ассоциация) двух молекул. Средняя энергия такого взаимодействия лежит в диапазоне  от  0,5 до 10 кДж/моль.

Такое взаимодействие между  полярными молекулами называется ориентационным, а силы этого взаимодействия – ориентационными силами.

А если одна из взаимодействующих  молекул неполярна и диполем не является? Что тогда? Почти то же самое: каждый полюс полярной молекулы порождает вокруг себя электрическое поле, которое вызывает - индуцирует перераспределение зарядов в неполярной молекуле, «неосторожно» подлетевшей к диполю. Неполярная ранее молекула превращается в диполь, взаимодействие которых мы уже рассматривали. Неудивительно, что взаимодействие между полярными и неполярными молекулами называют индукционным или поляризационным, а силы такого взаимодействия – индукционными или поляризационными силами.

А если все молекулы неполярны?  Не будут действовать силы притяжения? Оказывается, будут! Их возникновение вызвано тем, что, проявляя корпускулярные свойства, электроны в каждый момент времени занимают определенное положение в молекуле. Поэтому  мгновенное значение дипольного момента даже неполярной молекулы отлично от нуля. Этим, кстати, объясняется и дисперсия света в веществе. Поэтому притяжение молекул за счет взаимодействия спонтанно возникающих в каждое мгновение дипольных моментов называется дисперсионным взаимодействием, а силы этого взаимодействия – дисперсионными силами.

Дисперсионные силы межмолекулярного взаимодействия возникают между  любыми молекулами и отдельными атомами  потому, что их действие не зависит  от наличия у взаимодействующих  частиц стационарного дипольного момента.

Следует заметить, что в  большинстве случаев силы дисперсионного взаимодействия значительно превышают  как ориентационные, так и индукционные силы. И лишь при взаимодействии сильнополярных молекул, таких как  молекулы воды, ориентационное притяжение сильнее дисперсионного.

Обобщая изложенное выше и не вдаваясь в детали, можно сказать, что относительно непрочные (по сравнению с ковалентными и водородными) связи между молекулами, обусловленные электростатическим диполь-дипольным взаимодействием, называют связями Ван-дер-Ваальса.

Познакомившись достаточно подробно с причинами возникновения, механизмами  образования и методами описания ковалентной химической связи, нетрудно будет разобраться в сущности другого вида химической связи.

Единая природа  химической связи

Деление химической связи  на типы носит условный характер.

Металлическая связь, обусловленная  притяжением электронов и ионов  металлов, носит некоторые признаки ковалентной, если принять во внимание перекрывание электронных орбиталей атомов.

При образовании водородной связи помимо электростатического  притяжения заметную роль играет донорно-акцепторный  характер взаимодействия положительно поляризованного атома водорода с неподеленной электронной парой более электроотрицательного неметалла.

Резкую границу между ионной и ковалентной полярной связью также  провести невозможно. Более того, ионную связь можно рассматривать как  крайне полярную ковалентную…

Однако, анализируя все виды химических связей и межмолекулярных взаимодействий, нельзя не заметить, что все они  имеют единую физическую природу - электронно-ядерное  взаимодействие. Образование любой  химической связи, как и «простое»  притяжение молекул друг к другу представляет собой результат взаимодействия электрических полей, создаваемых положительно заряженными ядрами и электронными оболочками атомов.

Из рассуждений о природе  химической связи вы могли прийти к выводу о том, что многие изученные  вами ранее понятия требуют уточнения  и осмысления на новом, более высоком  уровне их понимания. И это, безусловно, верный вывод.

Именно таков путь развития не только химии, но и любой науки. Познание нового, осмысление его, попытки  объяснения и предсказания, поиск  доказательств правильности гипотез и теорий, получение новых данных, уточнение или отказ от одних теорий и создание других…

Когда-то, как вы помните, попытки доказать существование  флогистона и выделить его вызвали  ускорение развития химии, но, однако, «похоронили» сам флогистон, да и  поиски алхимиками способов получения  одних химических элементов из других с точки зрения ядерной физики уже не кажутся такими бредовыми…

Так что не стоит пугаться что-то менять и уточнять в своих знаниях. Как знать, может быть именно ваши мысли и предположения лягут в основу новых научных теорий.