Ю.И.ПАХОМОВ

Сборник
практических работ
по химии

11 класс

Продолжение. Начало см. в № 10/2004

Практическая работа 3.
Химическая связь.
Особенности и свойства
ковалентной связи

Цели. Повторить, закрепить и обобщить понятия о разновидностях химической связи, валентных возможностях элементов в соединениях, взаимосвязи состава и строения вещества с его свойствами.
Оборудование. Основные типы химической связи (схема), шкала значений электроотрицательности (ЭО) химических элементов, модели s- и p-связи, модели различных типов кристаллической решетки, таблицы «Координационная (донорно-акцепторная) связь», «Межмолекулярные взаимодействия. Водородная связь», периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева, модели кристаллических решеток алмаза и графита.

Ионная связь существует между атомами, сильно различающимися по значениям ЭО. Ионной связью связываются атомы металлов и неметаллов за счет образования противоположно заряженных ионов и их взаимного притяжения. Вещества с ионной связью: Na⁺Cl^-, Ca²⁺О^2-,
, Mg²⁺S^2-. Это кристаллические вещества – оксиды металлов, основания, соли.

Ковалентная связь возникает между атомами неметаллов за счет образования общих (связывающих) электронных пар.
Связь между одинаковыми неметаллами – неполярная: H₂, О₂, Сl₂, F₂. Такие вещества бывают газообразными (H₂, F₂), твердыми (алмаз, графит, сера), реже жидкими (Br₂).

Ковалентная полярная связь наблюдается между атомами неметаллов, различающимися электроотрицательностью: H₂О, HCl, NH₃. Как правило, это жидкие или газообразные вещества.

Металлическая связь существует в металлах. Она возникает за счет взаимодействия относительно свободных валентных электронов с ионами металлов. Вещества с металлической связью твердые, только ртуть жидкая.

Водородная связь – электростатическое притяжение между атомом водорода одной молекулы и атомом сильно электроотрицательного элемента (O, N, F) другой молекулы. Например:

Вещества с водородной связью чаще всего жидкие или твердые (вода, спирты, амины).

Вещества с ковалентной химической связью характеризуются валентностью, определяемой для каждого атома числом образованных им ковалентных связей (общих электронных пар). В молекуле водорода H₂ химическая связь ковалентная неполярная. В твердом состоянии кристалическая решетка молекулярная неполярная.

Кристаллический углерод существует в форме алмаза. Каждый атом углерода в алмазе связан с четырьмя другими атомами ковалентными неполярными связями.
Фрагмент структуры алмаза:

Энергия связи С–С составляет 352 кДж/моль.
При наличии во внешнем (валентном) электронном слое спаренных электронов и вакантных (свободных) орбиталей атом элемента способен проявлять переменную валентность. Электронная конфигурация атома углерода:

Атом С в нормальном состоянии способен образовать две ковалентные связи:

Однако современные методы исследования показывают более высокое значение E_св.
Между атомами С и О возможно образование еще одной разновидности ковалентной связи – координационной. Атом кислорода, имеющий неиспользованные электронные пары, может быть донором электронной пары для акцептора – атома углерода с его вакантной ячейкой.
Таким образом, в этом соединении для атомов обоих элементов валентность III:
где стрелка  обозначает координационную или донорно-акцепторную связь.
Электронная конфигурация атома углерода в возбужденном состоянии:

Электронная и графическая формулы соединения СО₂, в котором углерод проявляет высшую валентность IV:

В ковалентных соединениях между атомами С возможны три вида гибридизации электронных облаков:

Эти же виды гибридизации имеют место (и объясняют многие свойства) и при образовании многих неорганических соединений. При разном расположении гибридных облаков в пространстве образуются молекулы линейного (СО₂, С₂Н₂) или углового (Н₂О, СН₄) строения.

Свойства ковалентной связи

Энергия, необходимая для разрыва или образования связи, измеряется в кДж/моль (т.е. приходится на 6,02•10²³ молекул).

E(Н–Н) = 435 кДж/моль,
E(Cl–Cl) = 242 кДж/моль,
E(H–Cl) = 426 кДж/моль,
E(C–Cl) = 412 кДж/моль.

Прочность связи зависит от:

1) характера ковалентной связи (-cвязь прочнее, чем -связь);
2) полноты перекрывания электронных облаков (чем больше электронная плотность между ядрами, тем прочнее связь);
3) электроотрицательности соединяющихся атомов и поляризации ковалентной связи (т.е. от того, неполярная или полярная ковалентная связь).

Насыщенность. Насыщенными называют одинарные ковалентные связи. Возможность образования ковалентных связей определяется числом неспаренных электронов, а также числом неподеленных электронных пар (у донора) или числом вакантных орбиталей на внешнем электронном уровне (у акцептора).
Направленность связи обусловливает пространственное строение молекул. В зависимости от формы и направления электронных облаков при их взаимном перекрывании образуются соединения с линейной или угловой формой молекул. На эту характеристику влияет тип гибридизации электронных облаков – sp³, sp² или sp.

Практическая работа 4.
Методы составления уравнений
окислительно-восстановительных реакций

Цели. Повторить и закрепить метод расстановки коэффициентов путем составления электронного баланса в уравнениях окислительно-восстановительных реакций, изучить на конкретных примерах ионно-электронный метод.
Оборудование. Шкала изменения степеней окисления элементов .

Среди многообразия химических процессов первостепенное значение для человека имеют окислительно-восстановительные реакции. Такие реакции лежат в основе всех способов получения металлов, их защиты от коррозии, действия химических источников электроэнергии, синтеза целого ряда важнейших продуктов и т.п. Эти реакции играют важную роль и в природе (дыхание, гниение, горение). Они широко используются в аналитической химии и контрольно-измерительной технике.

Электронный метод. Согласно этому методу составление уравнений окислительно-восстановительных реакций проводится в следующей последовательности.

1. Записывают схему реакции с указанием исходных и образующихся веществ:

NH₃ + O₂ NO + H₂O.

2. Определяют степени окисления элементов, которые ее изменяют:

3. Составляют уравнения процессов окисления и восстановления, находят число отдаваемых и присоединяемых электронов:

4. Определяют коэффициенты перед формулами соединений, учитывая правило электронного баланса, согласно которому число принятых и отданных элементами электронов одинаково. Для этого находят наименьшее общее кратное (НОК) чисел перемещенных электронов, которое делят на соответствующие процессам окисления и восстановления числа электронов:

5. После умножения на соответствующие коэффициенты складывают оба уравнения:

6. Ориентируясь на полученные коэффициенты, записывают уравнение реакции в молекулярном виде:

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O.

ПРИМЕРЫ:

Задание 1. Электронным методом подобрать коэффициенты в уравнениях следующих окислительно-восстановительных реакций:

1) Al + НNО₃ (разб.) Al(NО₃)₃ + NН₄NО₃ + Н₂О;

Ионно-электронный метод. Электронно-ионные уравнения реакций отличаются тем, что в них записываются только те ионы, которые действительно существуют в водном растворе. Малодиссоциирующие вещества в этих уравнениях пишут в молекулярной форме (если в их составе имеются атомы элементов, изменяющих в ходе реакции степень окисления ).
Например, для реакции KMnO₄ c K₂SO₃ в кислой среде:

Электронное уравнение этой реакции получается по схеме:

Электронно-ионное уравнение начинают составлять с записи:

а) В кислой среде число атомов кислорода уравнивают с помощью молекул воды и ионов водорода. В паре с окислителем записывают ионы водорода, а с восстановителем – молекулы воды. Количество молей воды соответствует недостатку атомов кислорода, а число ионов водорода Н⁺ превышает мольное количество воды в 2 раза:

б) Взаимодействие тех же реагентов – перманганата калия с сульфитом калия – в щелочной среде дает другой продукт – манганат калия:

KMnO₄ + K₂SO₃ + KOH K₂MnO₄ + K₂SO₄ + Н₂О.

В щелочной среде число атомов кислорода уравнивают с помощью молекул воды и гидроксид-ионов ОН^–. В схеме гидроксид-ионы записывают в паре с восстановителем, а молекулы воды – с окислителем:

в) Третье направление реакции осуществляется в нейтральной среде и приводит к оксиду марганца(IV):

KMnO₄ + K₂SO₃ + Н₂О MnO₂ + KOH + K₂SO₄.

В нейтральной среде число атомов кислорода уравнивают с помощью молекул воды и ионов Н⁺ или ОН^–. В левую часть схемы всегда записывают воду в количестве, соответствующем избытку или недостатку кислорода, а в правую – ионы Н⁺ или ОН^– в количестве, превышающем в 2 раза число молей Н₂О:

Задание 2. C помощью электронно-ионного метода закончить уравнения следующих реакций:

1) KMnO₄ + KNO₂ + KOH K₂MnO₄ + KNO₃ + Н₂О;

2) FeCl₂ + KMnO₄ + Н₂О FeCl₃ + Fe(OH)₃ + KOH + MnO₂;

3) K₂Cr₂O₇ + НCl CrCl₃ + Н₂О + Cl₂ + KCl.