И.В.ТРИГУБЧАК

Пособие-репетитор по химии

ЗАНЯТИЕ 6
10-й класс (первый год обучения)

Продолжение. Начало см. в № 22/2005; 1, 2, 3, 5/2006

Химическая связь. Строение вещества

План

1. Химическая связь:
ковалентная (неполярная, полярная; одинарная, двойная, тройная);
ионная; металлическая; водородная; силы межмолекулярного взаимодействия.

2. Кристаллические решетки (молекулярная, ионная, атомная, металлическая).

Разные вещества имеют различное строение. Из всех известных на сегодняшний день веществ только инертные газы существуют в виде свободных (изолированных) атомов, что обусловлено высокой устойчивостью их электронных структур. Все другие вещества (а их в настоящее время известно более 10 млн) состоят из связанных атомов.

Химическая связь – это силы взаимодействия между атомами или группами атомов, приводящие к образованию молекул, ионов, свободных радикалов, а также ионных, атомных и металлических кристаллических решеток. По своей природе химическая связь – это электростатические силы. Главную роль при образовании химической связи между атомами играют их валентные электроны, т. е. электроны внешнего уровня, наименее прочно связанные с ядром. При переходе от атомного состояния к молекулярному происходит выделение энергии, связанное с заполнением электронами свободных орбиталей внешнего электронного уровня до определенного устойчивого состояния.

Существуют различные виды химической связи.

Ковалентная связь – это химическая связь, осуществляемая за счет обобществления электронных пар. Теорию ковалентной связи предложил в 1916 г. американский ученый Гилберт Льюис. За счет ковалентной связи образуется большинство молекул, молекулярных ионов, свободных радикалов и атомных кристаллических решеток. Ковалентная связь характеризуется длиной (расстояние между атомами), направленностью (определенная пространственная ориентация электронных облаков при образовании химической связи), насыщаемостью (способность атомов образовывать определенное число ковалентных связей), энергией (количество энергии, которое необходимо затратить для разрыва химической связи).

Ковалентная связь может быть неполярной и полярной. Неполярная ковалентная связь возникает между атомами с одинаковой электроотрицательностью (ЭО) (H₂, O₂, N₂ и т. д.). В этом случае центр общей электронной плотности находится на одинаковом расстоянии от ядер обоих атомов. По числу общих электронных пар (т.е. по кратности) различают одинарные, двойные и тройные ковалентные связи. Если между двумя атомами образуется только одна общая электронная пара, то такая ковалентная связь называется одинарной. Если между двумя атомами возникают две или три общие электронные пары, образуются кратные связи – двойные и тройные. Двойная связь состоит из одной -связи и одной -связи. Тройная связь состоит из одной -связи и двух -связей.

Ковалентные связи, при образовании которых область перекрывания электронных облаков находится на линии, соединяющей ядра атомов, называются -связями. Ковалентные связи, при образовании которых область перекрывания электронных облаков находится по обе стороны от линии, соединяющей ядра атомов, называются -связями.

В образовании -связей могут участвовать s- и s-электроны (Н₂), s- и p-электроны (HCl), р- и
р-электроны (Cl₂). Кроме того, -связи могут образовываться за счет перекрывания «чистых» и гибридных орбиталей. В образовании -связей могут участвовать только р- и d-электроны.

Ниже линиями показаны химические связи в молекулах водорода, кислорода и азота:

где пары точек (:) – спаренные электроны; «крестики» (х) – неспаренные электроны.

Если ковалентная связь образуется между атомами с различной ЭО, то центр общей электронной плотности смещен в сторону атома с большей ЭО. В этом случае имеет место ковалентная полярная связь. Двухатомная молекула, связанная ковалентной полярной связью, представляет собой диполь – электронейтральную систему, в которой центры положительного и отрицательного зарядов находятся на определенном расстоянии друг от друга.

Графический вид химических связей в молекулах хлороводорода и воды следующий:

где стрелками показано смещение общей электронной плотности.

Полярная и неполярная ковалентные связи образованы по обменному механизму. Кроме того, существуют донорно-акцепторные ковалентные связи. Механизм образования их другой. В этом случае один атом (донор) предоставляет неподеленную пару электронов, которая становится общей электронной парой между ним и другим атомом (акцептором). Акцептор при образовании такой связи предоставляет свободную электронную орбиталь.

Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи проиллюстрирован на примере образования иона аммония:

Таким образом, в ионе аммония все четыре связи являются ковалентными. Три из них образованы по обменному механизму, одна – по донорно-акцепторному. Все четыре связи равноценны, что обусловлено sp³-гибридизацией орбиталей атома азота. Валентность азота в ионе аммония равна IV, т.к. он образует четыре связи. Следовательно, если элемент образует связи и по обменному, и по донорно-акцепторному механизмам, то его валентность больше числа неспаренных электронов и определяется общим числом орбиталей на внешнем электронном слое. Для азота, в частности, высшая валентность равна четырем.

Ионная связь – химическая связь между ионами, осуществляемая за счет сил электростатического притяжения. Ионная связь образуется между атомами, имеющими большую разность ЭО (> 1,7); другими словами, это связь между типичными металлами и типичными неметаллами. Теория ионной связи была предложена в 1916 г. немецким ученым Вальтером Косселем. Отдавая свои электроны, атомы металлов превращаются в положительно заряженные ионы – катионы; атомы неметаллов, принимая электроны, превращаются в отрицательно заряженные ионы – анионы. Между образовавшимися ионами возникает электростатическое притяжение, которое называется ионной связью. Ионная связь характеризуется ненаправленностью и ненасыщаемостью; для ионных соединений понятие «молекула» не имеет смысла. В кристаллической решетке ионных соединений вокруг каждого иона располагается определенное число ионов с противоположным зарядом. Для соединений NaCl и FeS характерна кубическая кристаллическая решетка.

Ниже показано образование ионной связи на примере хлорида натрия:

Ионная связь является крайним случаем полярной ковалентной связи. Резкой границы между ними не существует, тип связи между атомами определяется по разнице электроотрицательности элементов.

При образовании простых веществ – металлов – атомы достаточно легко отдают электроны внешнего электронного уровня. Таким образом, в кристаллах металлов часть их атомов находится в ионизированном состоянии. В узлах кристаллической решетки находятся положительно заряженные ионы и атомы металлов, а между ними – электроны, которые могут свободно перемещаться по всей кристаллической решетке. Эти электроны становятся общими для всех атомов и ионов металла и называются «электронным газом». Связь между всеми положительно заряженными ионами металлов и свободными электронами в кристаллической решетке металлов называется металлической связью.

Наличием металлической связи обусловлены физические свойства металлов и сплавов: твердость, электропроводность, теплопроводность, ковкость, пластичность, металлический блеск. Свободные электроны могут переносить теплоту и электричество, поэтому они являются причиной главных физических свойств, отличающих металлы от неметаллов, – высокой электро- и теплопроводности.

Водородная связь возникает между молекулами, в состав которых входит водород и атомы с высокой ЭО (кислород, фтор, азот). Ковалентные связи H–O, H–F, H–N являются сильно полярными, за счет чего на атоме водорода скапливается избыточный положительный заряд, а на противоположных полюсах – избыточный отрицательный заряд. Между разноименно заряженными полюсами возникают силы электростатического притяжения – водородные связи. Водородные связи могут быть как межмолекулярными, так и внутримолекулярными. Энергия водородной связи примерно в десять раз меньше энергии обычной ковалентной связи, но тем не менее водородные связи играют большую роль во многих физико-химических и биологических процессах. В частности, молекулы ДНК представляют собой двойные спирали, в которых две цепи нуклеотидов связаны между собой водородными связями.

Таблица

Межмолекулярные водородные связи между молекулами воды и фтороводорода можно изобразить  (точками) следующим образом:

Вещества с водородной связью имеют молекулярные кристаллические решетки. Наличие водородной связи приводит к образованию ассоциатов молекул и, как следствие, к повышению температур плавления и кипения.

Кроме перечисленных основных видов химической связи существуют также универсальные силы взаимодействия между любыми молекулами, которые не приводят к разрыву или образованию новых химических связей. Эти взаимодействия называются вандерваальсовыми силами. Они обусловливают притяжение молекул данного вещества (или различных веществ) друг к другу в жидком и твердом агрегатном состояниях.

Различные виды химической связи обусловливают существование различных типов кристаллических решеток (табл.).

Вещества, состоящие из молекул, имеют молекулярное строение. К таким веществам относятся все газы, жидкости, а также твердые вещества с молекулярной кристаллической решеткой, например йод. Твердые вещества с атомной, ионной или металлической решеткой имеют немолекулярное строение, в них нет молекул.

Молекулярная кристаллическая решетка йода I2

1. Сколько электронов участвует в образовании химических связей в молекуле аммиака?

а) 2; б) 6; в) 8; г) 10.

2. Для твердых веществ с ионной кристаллической решеткой характерна низкая:

а) температура плавления; б) энергия связи;

в) растворимость в воде; г) летучесть.

3. Расположите приведенные ниже вещества в порядке возрастания полярности ковалентных связей. В ответе укажите последовательность букв.

а) S₈; б) SO₂; в) H₂S; г) SF₆.

4. Какие частицы образуют кристалл нитрата натрия?

а) Атомы Na, N, O; б) ионы Na⁺, N⁵⁺, O^2–;

в) молекулы NaNO₃; г) ионы Na⁺, NO₃^–.

5. Укажите вещества, которые в твердом состоянии имеют атомные кристаллические решетки:

а) алмаз; б) хлор;

в) оксид кремния(IV); г) оксид кальция.

6. Укажите молекулу с наибольшей энергией связи:

а) фтороводород; б) хлороводород;

в) бромоводород; г) йодоводород.

7. Выберите пары веществ, все связи в которых ковалентные:

а) NaCl, HCl; б) CO₂, NO;

в) CH₃Cl, CH₃K; г) SO₂, NO₂.

8. В каком ряду молекулы расположены в порядке увеличения полярности связей?

а) HBr, HCl, HF; б) NH₃, PH₃, AsH₃;

в) H₂Se, H₂S, H₂O; г) CO₂, CS₂, CSe₂.

9. Вещество, в молекулах которого имеются кратные связи, – это:

а) углекислый газ; б) хлор;

в) вода; г) этанол.

10. На какое физическое свойство образование межмолекулярных водородных связей не оказывает влияния?

а) электропроводность;

б) плотность;

в) температура кипения;

г) температура плавления.

Ключ к тесту

Задачи на газы и газовые смеси

Уровень А

1. Газообразный оксид серы при температуре 60 °С и давлении 90 кПа имеет плотность 2,08 г/л. Определить формулу оксида.

Ответ. SO₂.

2. Найти объемные доли водорода и гелия в смеси, относительная плотность которой по воздуху равна 0,1.

Ответ. 55% и 45%.

3. Сожгли 50 л смеси сероводорода и кислорода с относительной плотностью по водороду 16,2. Полученное вещество пропустили через 25 мл 25%-го раствора гидроксида натрия (плотность раствора равна 1280 кг/м³). Определить массу получившейся кислой соли.

Ответ. 20,8 г.

4. Термически разложили смесь нитрата натрия и карбоната кальция. Полученные газы (объемом 11,2 л) в смеси имели относительную плотность по водороду 16,5. Определить массу исходной смеси.

Ответ. 82 г.

5. При каком молярном соотношении аргона и азота можно получить газовую смесь с плотностью, равной плотности воздуха?

Решение

В исходной смеси содержатся Ar и N₂.

По условию задачи (смеси) = (возд.).

Отсюда:

M(возд.) = M(смеси) = 29 г/моль.

Воспользовавшись обычным соотношением:

m = •M,

получим следующее выражение:

Пусть (смеси) = 1 моль. Тогда (Ar) = х моль, (N₂) = (1 – х) моль.

Ответ. (Ar) : (N₂) = 1 : 11.

6. Плотность газовой смеси, состоящей из азота и кислорода, равна 1,35 г/л. Найти объемные доли газов в смеси в %.

Ответ. 44% и 56%.

7. Объем смеси, содержащей водород и хлор, равен 50 мл. После образования хлороводорода осталось 10 мл хлора. Найти состав исходной смеси в % по объему.

Ответ. 40% и 60%.

8. Рассчитать, какую долю от массы реагирующих газов при синтезе хлороводорода составляет водород, учитывая, что он взят с 10%-м избытком по объему.

Ответ. 3%.

9. При добавлении какого газа к смеси равных объемов метана и углекислого газа плотность ее по водороду: а) увеличится; б) уменьшится? Привести по два примера в каждом случае.

Ответ.
M(смеси СН₄ и СО₂) = 30 г/моль; а) Cl₂ и О₂; б) N₂ и Н₂.

10. Имеется смесь аммиака и кислорода. При добавлении какого газа к этой смеси ее плотность:
а) увеличится; б) уменьшится? Привести по два примера в каждом случае.

Ответ.
17 < M_r(смеси NH₃ + O₂) < 32; а) Cl₂ и C₄H₁₀; б) H₂ и Нe.

11. Какова масса 1 л смеси угарного и углекислого газов, если содержание первого газа составляет 35% по объему?

Ответ. 1,7 г.

12. 1 л смеси угарного и углекислого газов при н.у. имеет массу 1,43 г. Определить состав смеси в % по объему.

Ответ. 74,8% и 25,2%.

Уровень Б

1. Определить относительную плотность воздуха по азоту, если весь кислород, содержащийся в воздухе, превращен в озон (считать, что воздух содержит только азот и кислород).

Ответ. 1,03.

2. При введении весьма распространенного газа А в стеклянный сосуд, содержащий газ В, который имеет такую же плотность, что и газ А, в сосуде остается лишь мокрый песок. Определить газы. Написать уравнения лабораторных способов их получения.

Ответ. А – О₂, В – SiH₄.
2NaNO₃ 2NaNO₂ + O₂,
Mg₂Si + 4H₂O = 2Mg(OH)₂ + SiH₄.

3. В газовой смеси, состоящей из сернистого газа и кислорода, с относительной плотностью по водороду 24 часть сернистого газа прореагировала, и образовалась газовая смесь с относительной плотностью по водороду на 25% больше относительной плотности исходной смеси. Рассчитать состав равновесной смеси в % по объему.

Ответ. 50% SO₃, 12,5% SO₂, 37,5% O₂.

4. Плотность озонированного кислорода по озону 0,75. Сколько литров озонированного кислорода потребуется для сгорания 20 л метана (н.у.)?

Ответ. 35,5 л.

5. Имеется два сосуда, заполненных смесями газов: а) водород и хлор; б) водород и кислород. Изменится ли давление в сосудах при пропускании через эти смеси электрической искры?

Ответ. а) Не изменится; б) уменьшится.

6. В смеси сульфита кальция и гидрокарбоната кальция число атомов кальция в 6 раз больше числа атомов серы. Вычислить плотность по воздуху газовой смеси, образующейся при обработке этой смеси избытком разбавленного раствора серной кислоты.

Решение

Пусть (CaSO₃) = х моль, (Ca(НСO₃)₂) = y моль.

Тогда (Ca из СaSO₃) = х моль;

(Ca из Са(НСO₃)₂) = y моль.

Общее количество вещества кальция:

(Ca) = (х + y) моль.

Количество вещества серы:

(S из СаSO₃) = х моль.

По условию 6N(S) = N(Ca).

Следовательно,

6(S) = (Са), 6х = х + y, 5х = y.

Пусть х = (CaSO₃) = 1 моль,

тогда y = (Ca(НСO₃)₂) = 5 моль.

В образующейся газовой смеси присутствуют SO₂ и СO₂.

Ответ. D_возд(смеси) = 1,58.

7. Объем смеси угарного газа и кислорода равен 200 мл (н.у.). После сгорания всего угарного газа и приведения к н.у. объем смеси уменьшился до 150 мл. Во сколько раз уменьшится объем газовой смеси после пропускания ее через 50 г 2%-го раствора гидроксида калия?

Ответ. В 3 раза.