Химия

Урок 7: Химическая связь

Химическая связь

В этом уроке мы рассмотрим образование химической связи между атомами. Почему для некоторых атомов свойственно многообразие соединений, а другие входят в состав не большого количества соединений. Каким образом, соединяются атомы между собою? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо освежить в памяти понятия электроотрицательность (ЭО), валентность и степень окисления (СО).

План урока:

Ковалентная связь

Ионная связь

Металлическая связь

Водородная связь

Типы кристаллических решёток

 

 

1

Словно компоненты конструктора, атомы соединяются между собой. И как бы, Вы не старались, но с единичным блоком можно соединить, только один блок. Деталь на 4 ячейки, может удержать не больше четырёх. Этот принцип сохраняется и в химии. За количество свободных ячеек отвечает валентность атомов элементов.

Результатом взаимодействия атомов является получение веществ. Виды химической связи атомов зависят от природы составляющих элементов.

2

Металлы отличаются малым количеством электронов на внешнем уровне сравнительно с неметаллами более низким значением электроотрицательности. Теперь наша задача вспомнить, как происходит изменение ЭО в таблице Менделеева или воспользоваться таблицей «Относительная электроотрицательность». Чем активнее неметалл, тем она выше и это говорит о том, что этот элемент, при образовании связи, будет забирать электроны.

3sdsИсточник

Веществ насчитывается миллионы. Это могут быть простые вещества: металлы железо Fe, золото Au, ртуть Hg; неметаллы сера S, фосфор Р, азот N2. Так и сложные вещества: H2S, Ca3(PO4)2, (C6H10O5)n, молекулы белков и т.д.Комбинация элементов, входящих в состав веществ, определяет какие типы связей будут существовать между ними.

4

 

Ковалентная связь

Неметаллы из числа всех элементов находятся в меньшинстве. Но имея некоторые особенности в строении и способности иметь переменную валентность, число соединений, построенных этими элементами внушительное.

Чтобы иметь представление, по которому атомы соединяются, начнём с молекулы водорода Н2.

Давайте дадим волю фантазии, представим то, что нельзя увидеть. Допустим, что мы взяли в руки две одинаковые детали, имеющие такой вид:

5nn

Существует одна только комбинация их соединения, и между ними будет одно общее звено. Переместимся с нашего воображения к молекулам. Представим, что перед нами, два атома водорода и наша задача их соединить в молекулу. Покрутите мысленно детали, чтобы они объединились, необходимо их поставить друг на друга, связав их в определённом месте. Точки рядом означают, сколько электронов, располагающихся на наружном слое.

6nn
Источник

Атомы водорода, как детали, соединились одной связью, поэтому валентность в данном случае каждого из них будет равна I. Но степень окисления будет равна 0, так как вещество образовано элементом с одинаковым значением электроотрицательности.

Рассмотрим, как образуется молекула самого распространённого газа на нашей планете – азота N2.

7bb

Азот, имеет 3 неспаренных электрона. Это как взять две детали вида и соединить их.

8nn

Таким образом, азот трёхвалентен, а степень 

окисления по-прежнему остаётся равна 0. За счёт общей электронной пары азот завершает внешний слой 2s22p6.

Ковалентная связь в молекуле, состоящей из одного типа атомов, а именно неметаллов, носит название неполярная.

9nn

Во время построения молекулы, количество электронов стремится к завершению. Рассмотрим как образуется молекула О2. Каждому атому не хватает 2 электронов и они эту недостачу компенсируют общей электронной парой.

10nn
10n1n

Также обращаем внимание, что степень окисления 0, ибо атомы равноправные партнёры, и их валентность равна II.

Ковалентная химическая связь образованная разными неметаллами называется полярная.

11nn

Возьмём два неметаллических элемента Водород и Хлор. Укажем электронные формулы внешнего слоя.

Н 1s1

Cl 3s2 3p5

Проанализировав значения, Э(Н) < Э(Cl), приходим к выводу, чтобы принять конфигурацию благородного газа, хлор будет притягивать на себя единственный электрон водорода.

Схема ковалентной связи, образованной разными элементами, записывается в таком виде.

12nn

Столь важно отметить, что в этой ситуации Cl и Н не будут равноправными партнёрами, поскольку общая плотность электронов сосредоточена у Cl. Водород в неравном бою, уступает 1 электрон хлору, у которого в наличии их целых 7. Водород приобретает положительный заряд, хлор – отрицательный. Валентности Н и Cl равны I.В то время степени окисления будут Н+Cl.

13nn

Такой вид образования соединений происходит по обменному механизму. Это значит, чтобы получить завершённую конфигурацию более электроотрицательные принимают электроны, менее – отдают, но при этом существует общая электронная пара.

Неметаллы образуют не только бинарные соединения, а возможно в состав будет входить три и более элемента. К примеру, молекула угольной кислоты H2СOсостоит с 3 элементов. Как они между собой соединяться. Электроотрицательность возрастает в ряду ЭО (Н) <ЭО (С) <ЭО(O). Определим степени окисления каждого элемента. Н+2С+4О−23. Это означает, что кислород будет притягивать на себя электроны углерода и водорода. Схематически это можно записать в следующем виде.

14nn

Чтобы построить структурную формулу, в центре записываем углерод. У него неспаренных 4 электрона. Поскольку атомов кислорода в количестве 3, каждый из них может принять 2 электрона. То путём не хитрых вычислений, видим что 4 электрона придёт от С и по одному от каждого Н. проверяем наш расчёт, учитывая нейтральность молекулы, считаем положительные и отрицательные заряды.

Н2+С+4О3−2 (+1 ∙ 2) + (+4 ∙ 1) + (-2 ∙ 3) = 0

Существует ещё один механизм ковалентной связи, под названием донорно-акцепторный.

Чтобы понять этот принцип, опишем образование молекулы, имеющей не совсем приятный резкий, удушающий запах, аммиак NH3.

H 1s1

N 2s2 2p3

15nn

Из 5 электронов, находящиеся в распоряжении атома N, связываются только 3. Валентность атома N приобретает значение III. При этом степень окисления N−3 (оттянув на себя 3 электрона от каждого атома Н, становится отрицательным), водород, наоборот совершив «благородный поступок», отдав электрон, приобретает положительный заряд Н+. Два электрона никак не задействованы, они выделены красным цветом. Они способны поселиться в свободной ячейке иона Н+. Это место займут электроны азота, которые обозначены красным цветом.  Образуется катион аммония по донорно-акцепторному механизму.

16n1n
16n2n

Незадействованные до этого «красные» электроны N «заселяются» в пустой s-орбитали, принадлежащей катиону водорода. Ион аммония имеет 3 связи, которые происходят по обменному механизму, а также одну, по донорно-акцепторному. Именно поэтому NH3 легко взаимодействует с кислотами и водой.

 

Ионная связь

Ионная химическая связь является пограничной ковалентной полярной. Отличаются тем, что для веществ, в которых локализуется ковалентная связь, характерно существование совместной электронной пары, тогда как для ионной связи свойственна полная отдача электронов. Следствием отдачи является образование заряженных частиц – ионов.

17nn

Определить тип связи помогут вычисления. Если разность значений электроотрицательностей больше 1,7, то для вещества характерна ионная связь. Если значение меньше 1,7, то свойственная полярная связь. Рассмотрим два вещества NaCl и СаС2. Оба они образованы металлом (Na и Са) и неметаллом (Clи С). Однако в одном случае связь будет ионная, во втором – ковалентная полярная.

18nn

Постулат физики гласит, что противоположности притягиваются. Т.е. положительные ионы притягивают отрицательные и наоборот.

19nn

Допустим, что необходимо получить вещество с атомов калия и фтора. Каждый атом стремится заполучить конфигурацию благородного газа. Достигнуть этого возможно двумя способами отдав или приняв электроны, образуя при этом ионы с желаемой конфигурацией.

Атому калия гораздо проще отдать 1 электрон, чем забрать у фтора 7. Принимая 1 электрон, F имеет завершённый уровень.

20nn

 

Аналогично калий, который с лёгкостью отдал свой электрон, его катион принял электронную формулу аргона.

Кальций двухвалентный металл, то для взаимодействия необходимо два атома фтора, поскольку он способен принять только один электрон. Схема образования ионной связи имеет вид.

22nn

Данный вид связи локализуется во всех солях, между металлом и кислотным остатком. В выше приведённом примере для угольной кислоты, кислотным остатком будет СО32−, если вместо водорода поставить атомы натрия, то схема образования связи имеет вид.

23nn

Следует отметить, что ионная связь будет существовать между Naи О, а между С и О ковалентная полярная.

 

Металлическая связь

Металлы существуют в разных цветах: чёрные (железо), красные (медь), жёлтые (золото), серые (серебро), плавятся при разных температурах. Однако их всех объединяет наличие блеска, твёрдости, электропроводимости.

Металлическая связь имеет черты сходства с ковалентной неполярной. Металлы бедны электронами на внешнем уровне, поэтому при образовании связи, они не способны притягивать на себя их, для них свойственна отдача. Так как атомный радиус в металлах большой, это даёт возможность легко оторваться электронам, образовав катионы.

Me0 - ne = Men+

Электроны постоянно перемещаются от атома к иону и наоборот. Сами катионы можно сравнить с айсбергами, окружёнными отрицательными частицами.

Схема металлической связи

24nn
Источник

25nn

 

Водородная связь

Элементы-неметаллы II периода (N, O, F) обладают высоким значением электроотрицательности. Это влияет на способность образования водородной связи между поляризованным Н+ одной молекулы и анионом N3-, O-2, F-. Водородная связь способна объединить две разные молекулы. К примеру, если взять две молекулы воды, то они соединяются между собой за счёт атомов Н и О.

26nn
26n2n

Водородная химическая связь изображена …… пунктиром. Соединяясь между собою молекулы, играют и находят важную роль в живых организмах. С помощью водородной связи строится вторичная структура молекулы ДНК.

27nn
Источник

 

Типы кристаллических решёток

Чтобы получить вещество, а не просто набор молекул, необходимо частицы «запаковать» в своеобразный каркас – кристаллическую решётку.

Представьте перед собой геометрическую фигуру – куб, в вершинах будут находиться частицы, условно соединённые между собою.

Существует прямая зависимость между строением атома и типом кристаллической решётки.

28nn

Обратите внимание, что соединения с ковалентной неполярной связью образованные частицами-молекулами, которые запакованы в молекулярную кристаллическую решётку. Чаще всего это будут соединения по температурному режиму низкокипящие и летучие. Это известные вам вещества как кислород О2, хлор Cl2, бром Br2.

Ковалентная полярная химическая связь также характерна для молекулярных соединений. Сюда входят как органические: сахароза, спирты, метан так и неорганические соединения: кислоты, аммиак, оксиды неметаллов. Существование их бывает как в жидком (Н2О), твёрдом (сера) так и газообразном виде (СО2).

29nn
Источник

В узлах атомной кристаллической решётки находятся отдельные атомы, между которыми существует ковалентная неполярная связь. Атомная кристаллическая решётка свойственна алмазу. На данный момент это самое твёрдое вещество. Данный тип связи характерен для вещества, покрывающего значительную часть нашей планеты, это –SiO2 (песок) и карборунд SiC, имеющий похожие свойства с алмазом.

30nn
Источник

Ионная связь между атомами образует кристаллическую решётку, в узлах которой будут находиться катионы и анионы. Это строение объединяет между собой целый класс неорганических соединений солей, состоящих с катионов металлов и анионов кислотного остатка. Характерными особенностями этих веществ будут высокие температуры, при которых они плавятся и кипят.

31nn
Источник

Металлическая связь имеет металлическую кристаллическую решётку. В её строении можно провести параллель с ионной решёткой. В узлах будут размещаться атомы и ионы, а между ними электронный газ, состоящий из мигрирующих электронов от атома к электрону.

32nn
Источник

Обобщая данные сведения, можем сделать вывод, зная состав и строение, можем прогнозировать свойства и наоборот.

33nn

Итак, из вышесказанного сделаем вывод.

34nn

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Ковалентную связь имеет вещество, образованное элементами с зарядом ядра:
1+3 и +6
2+20 и +17
3+8 и +16
4+11 и +7
Ответить
3
Вопрос: 2
Ковалентная неполярная химическая связь локализуется в следующих веществах:
1Cu, S8, O3
2N2, Ca, P4
3Cu, Br2, Na
4Cl2, O2, C
Ответить
4
Вопрос: 3
Ковалентная полярная связь имеет место в молекулах:
1H2O, Na2O, H2O2
2H2S, SO2, PCl5
3CaS, S8, N2
4HF, K2S, CaH2
Ответить
2
Вопрос: 4
Примеры ионной связи отображаются в следующих формулах:
1CO2, C2H4, NaCl
2BeO, H2Se, K2S
3AlCl3, MgS, NaF
4NaOH, O3, CS2
Ответить
3
Вопрос: 5
Для каких веществ не характерна металлическая химическая связь:
1C, P4, Br2
2Ni, Cu, Zn
3Po, Al, Ba
4Fe, Au, Ag
Ответить
1
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Ковалентную связь имеет вещество, образованное элементами с зарядом ядра:
1) +3 и +6 2) +20 и +17 3) +8 и +16 4) +11 и +7
2 вопрос:

Ковалентная неполярная химическая связь локализуется в следующих веществах:
1) Cu, S8, O3 2) N2, Ca, P4 3) Cu, Br2, Na 4) Cl2, O2, C
3 вопрос:

Ковалентная полярная связь имеет место в молекулах:
1) H2O, Na2O, H2O2 2) H2S, SO2, PCl5 3) CaS, S8, N2 4) HF, K2S, CaH2
4 вопрос:

Примеры ионной связи отображаются в следующих формулах:
1) CO2, C2H4, NaCl 2) BeO, H2Se, K2S 3) AlCl3, MgS, NaF 4) NaOH, O3, CS2
5 вопрос:

Для каких веществ не характерна металлическая химическая связь:
1) C, P4, Br2 2) Ni, Cu, Zn 3) Po, Al, Ba 4) Fe, Au, Ag
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: +8 и +16
2 вопрос: Cl2, O2, C
3 вопрос: H2S, SO2, PCl5
4 вопрос: AlCl3, MgS, NaF
5 вопрос: C, P4, Br2