Урок 4. Понятие о химической связи

В предыдущих уроках данного курса есть много рассуждений о том, что вещество состоит из молекул, что молекулы состоят из атомов. А не возникал ли у вас вопрос: почему атомы, составляющие молекулу, не разлетаются в разные стороны? Что удерживает атомы в молекуле?

Их удерживает химическая связь.

Химическая связь — совокупность сил, которые удерживают атомы в молекуле или кристалле.

Для того чтобы понять природу химической связи, достаточно вспомнить простой физический опыт. Два шарика, висящие рядом на ниточках, никак не «реагируют» друг на друга. Но если придать одному шарику положительный заряд, а другому — отрицательный, они притянутся друг к другу. Не эта ли сила притягивает атомы друг к другу? Действительно, исследования показали, что химическая связь имеет электрическую природу.

Откуда же возникают заряды в нейтральных атомах?

Ионная связь

При описании строения атомов было показано, что все атомы, за исключением атомов благородных газов, стремятся присоединить или отдать электроны. Причина — образование устойчивого восьмиэлектронного внешнего уровня (как у благородных газов). При приёме или отдаче электронов возникают электрические заряды и, как следствие, электростатическое взаимодействие частиц. Так возникает ионная связь.

Ионная связь — это связь между ионами.

Ионы — это устойчивые заряженные частицы, которые образуются в результате приема или отдачи электронов.

Например, в реакции участвует атом активного металла и активного неметалла:

В этом процессе атом металла (натрия) отдаёт электроны (рис. 14).

Таким образом, в этом процессе образовалась устойчивая частица (8 электронов на внешнем уровне), которая имеет заряд, так как у ядра атома натрия заряд по-прежнему +11, а оставшиеся электроны имеют суммарный заряд –10. Поэтому заряд иона натрия +1. Кратко запись этого процесса выглядит так:

Что происходит с атомом серы? Этот атом принимает электроны до завершения внешнего уровня (рис. 15).

Простой подсчёт показывает, что эта частица имеет заряд:

Кратко:

Разноименно заряженные ионы притягиваются, в результате чего возникает ионная связь и «ионная молекула»:

Существуют и другие способы образования ионов (см. урок 6).

Формально сульфиду натрия приписывают именно такой состав молекулы, хотя вещество, состоящее из ионов, имеет приблизительно такое строение (рис. 16).

Таким образом, можно сказать определённо, что вещества, состоящие из ионов, не содержат отдельных молекул! В этом случае можно говорить лишь об условной «ионной молекуле».

Задание 4.1. Покажите, как происходит переход электронов при возникновении ионной связи между атомами:

1. кальцием и хлором;
2. алюминием и кислородом.

Помните! Атом металла отдаёт внешние электроны; атом неметалла принимает недостающие электроны.

Вывод. Ионная связь по описанному выше механизму образуется между атомами активных металлов и активных неметаллов.

Ковалентная связь

Исследования, однако, показывают, что полный переход электронов от одного атома к другому происходит далеко не всегда. Очень часто химическая связь образуется не при отдаче-приёме электронов, а в результате образования общих электронных пар*. Такая связь называется ковалентной.

* Эти электронные пары возникают в месте пересечения электронных облаков.

Ковалентная связь образуется в месте перекрывания электронных облаков* обоих атомов.

* Электронное облако — область пространства, где нахождение электрона наиболее вероятно.

Такая связь образуется, например, между атомами неметаллов. Возникает вопрос: каким образом область пересечения электронных облаков может связывать атомы? Рассмотрим динамическую модель этого явления, т. е. процесс возникновения ковалентной связи. Предположим, два атома сблизились на достаточно близкое расстояние.

Вопрос. Какие силы возникли между атомами?

Поскольку вокруг ядер атомов расположены отрицательно заряженные электроны, между атомами возникают силы отталкивания. Но если атомы обладают достаточной энергией, их электронные облака перекрываются (см. рис. 17.).

В этой области пространства возникает избыточный отрицательный заряд. А ядра атомов, как известно, имеют положительный заряд. Таким образом, ядра обоих атомов притягиваются к общему отрицательному заряду, который возник благодаря пересечению электронных облаков. Поэтому:

• во-первых, область перекрывания электронных облаков является, фактически, химической связью;
• во-вторых, чем больше область перекрывания электронных облаков, тем прочнее (при прочих равных условиях) данная связь.

В месте перекрывания электронных облаков образуются общие электронные пары. Рассмотрим, как возникает ковалентная связь в молекуле азота N₂. Для этого рассмотрим строение атома азота:

Или: N … 2s² 2р³

Вопрос. Сколько электронов не хватает до завершения внешнего уровня?

Не хватает трёх электронов. Поэтому, обозначив каждый электрон внешнего уровня точкой, получим:

Вопрос. Почему три электрона обозначены одиночными точками?

Дело в том, что мы хотим показать образование общих пар электронов. А пара — это два электрона. Такая пара возникает, в частности, если каждый атом предоставит по одному электрону для образования каждой пары (1 + 1 = 2). Атому азота не хватает трёх электронов до завершения внешнего уровня. Значит, он должен «приготовить» три одиночных электрона для образования будущих пар.

Получена электронная формула молекулы азота, при помощи которой показано, что:

• у каждого атома азота имеется теперь восемь электронов (шесть из них обведены кружочком плюс 2 электрона «собственной», неподелённой пары электронов);
• между атомами возникли 3 общие пары электронов (место пересечения кружков).

Каждая общая пара электронов соответствует одной ковалентной связи. Сколько ковалентных связей возникло? Три. Каждую связь (каждую общую пару электронов) покажем при помощи чёрточки (валентный штрих):

Эта графическая формула показывает, что атом азота в молекуле N₂ — трёхвалентен, так как валентность — это способность атома образовывать определённое число ковалентных химических связей.

Может ли возникнуть такая связь между разными атомами? Может. Пусть атом азота взаимодействует с атомами водорода:

Строение атома водорода показывает, что этот атом имеет один электрон. Сколько таких атомов нужно взять, чтобы атом азота «получил» «желаемое» — три электрона? Очевидно, три атома водорода (рис. 19).

Крестиком (х) обозначены электроны атома водорода. Электронная формула молекулы аммиака показывает, что у атома азота стало восемь электронов, а у каждого атома водорода получилось по два электрона (а больше на первом энергетическом уровне и быть не может).

Графическая формула показывает, что атом азота имеет валентность три (три чёрточки, или три валентных штриха), а каждый атом водорода — валентность один (по одной чёрточке).

Значит, атом азота в этих молекулах (N₂ и NН₃) трёхвалентен. Поскольку пара электронов может образовываться из неспаренных электронов обоих атомов, то валентность атома часто соответствует числу неспаренных электронов. Например, в атоме азота 3 неспаренных электрона, поэтому валентность атома азота (в молекуле азота) равна III.

Казалось бы, атом азота не может иметь бОльшую валентность, так как в образовании химической связи задействованы все неспаренные электроны. Но у атома азота осталась «лишняя» неподелённая пара электронов, которая не участвовала в образовании ковалентных связей.

Если ковалентная связь образуется с участием атома, который имеет «собственную» пару электронов (2), то второй атом должен иметь свободную орбиталь (0):

В этом случае атом, имеющий пару электронов (донор), передаёт её на свободную орбиталь второго атома (акцептора). Рассмотрим механизм образования ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму:

В полученном катионе аммония валентность атома азота равна IV.

Отметим, что валентность IV для атома азота — максимально возможная. Дело в том, что ковалентные связи образуются за счёт пересечения электронных облаков. А сколько таких электронных облаков в атоме азота? Четыре (одно s— и три р-облака). Поэтому и образуются 4 ковалентные связи. И не больше!

Ковалентная связь может быть полярной и неполярной. Полярность ковалентной связи определяется электроотрицательностью атомов её образующих. Электроотрицательность — способность атома смещать к себе общую пару электронов. Максимальную электроотрицательность (ЭО) имеет фтор 4,1. Далее значение ЭО уменьшается в ряду:

Хотя в состав обеих молекул N₂ и NН₃ входит один и тот же атом азота, химические связи между атомами отличаются друг от друга. В молекуле азота N₂ химические связи образуют одинаковые атомы, поэтому общие пары электронов находятся посередине между атомами. Атомы сохраняют нейтральный характер. Такая химическая связь называется неполярной.

В молекуле аммиака NH₃ химическую связь образуют разные атомы. Поэтому один из атомов (в данном случае — атом азота) сильнее притягивает общую пару электронов, так как имеет бОльшую ЭО. Общие пары электронов смещаются в сторону атома азота, и на нём возникает небольшой отрицательный заряд, а на атоме водорода — положительный (рис. 21).

Задание 4.2. Определите, какая химическая связь осуществляется между атомами в веществах:

Дайте пояснения.

Задание 4.3. Составьте электронные и графические формулы для тех веществ из упражнения 4.2, в которых вы определили наличие в них ковалентной связи. Для ионной связи составьте схемы перехода электронов.

Химическая связь и агрегатные состояния вещества. Кристаллические решётки

Тип химической связи влияет на свойства вещества, на его поведение в растворах. Так, чем больше, значительнее притяжение между частицами, тем труднее их оторвать друг от друга, тем труднее перевести твёрдое вещество в газообразное или жидкое состояния. Попробуйте определить, между какими частицами больше силы взаимодействия.

Если силы притяжения частиц значительны (притяжение разноимённо заряженных ионов), то частицы колеблются вблизи положения равновесия, а перемещаться не могут, что обусловливает сохранение формы и объёма. Максимальное взаимодействие между частицами осуществляется в случае I (ионная связь). Такие вещества находятся в твёрдом состоянии. Все вещества, построенные по ионному типу, — твёрдые. Среди веществ с ионной структурой ни жидких, не газообразных веществ нет! Для таких веществ характерно особое внутреннее строение — кристаллическая решётка:

От типа кристаллической решётки, которая формируется в твёрдом состоянии, зависят многие физические свойства вещества. В зависимости от вида частиц и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решёток: ионные, атомные, молекулярные и металлические.

Кристаллические решётки, состоящие из ионов, называются ионными. Их образуют вещества с ионной связью. Примером может служить кристалл поваренной соли (хлорида натрия), в котором каждый ион натрия окружен шестью хлорид-ионами, а каждый хлорид-ион — шестью ионами натрия. Очень часто кристаллические решётки изображают, как показано на рис. 23, где указывается только взаимное расположение частиц, но не их размеры.

Такие вещества обладают твёрдостью, тугоплавкостью, их расплавы проводят электрический ток. Ионные соединения, как правило, легко растворяются в жидкостях, состоящих из полярных молекул, например в воде, хотя бывают и исключения.

Большинство веществ, построенных при помощи ковалентной связи, состоят из отдельных молекул (рис. 24).

К таким веществам относятся спирты, сахара и большинство органических соединений. Поэтому, если такое вещество станет твёрдым, то эти молекулы образуют молекулярную кристаллическую решётку, т. е. в узлах её находятся молекулы.

Кристаллические решётки, состоящие из молекул (полярных и неполярных), называются молекулярными. Молекулы в таких решётках соединены между собой сравнительно слабыми межмолекулярными силами. Поэтому вещества с молекулярной решёткой имеют малую твёрдость и низкие температуры плавления, их растворы почти не проводят электрический ток. Число неорганических веществ с молекулярной решёткой невелико: вода, кислоты.

Кристаллические решётки, в узлах которых находятся отдельные атомы, называются атомными. Атомы в таких решётках соединены между собой прочными ковалентными связями. Примером может служить алмаз — одна из модификаций углерода. Алмаз состоит из атомов углерода, каждый из которых связан с четырьмя соседними атомами:

Весь кристалл алмаза следует рассматривать как гигантскую молекулу. Атомная кристаллическая решетка характерна для твёрдого бора, кремния, германия и соединений некоторых элементов с углеродом и кремнием, а также кварца — чистого оксида кремния. Такие вещества очень прочные и тугоплавкие. Они нерастворимы в воде и прочих растворителях.

Металлы образуют металлическую кристаллическую решётку. Свойства таких веществ рассмотрены в уроке 8 данного Самоучителя.

Подведём итог:

• молекулярное строение имеют вещества, построенные при помощи ковалентной связи, которые, связывая атомы, образуют молекулы;
• немолекулярное строение имеют вещества, построенные при помощи
  • ковалентной связи, которые связывают отдельные атомы;
  • металлической связи;
  • ионной связи.

Задание ЕГЭ. К числу веществ молекулярного строения относятся: 1) древесный уголь; 2) кварц; 3) лёд; 4) известняк. Укажите тип кристаллической решётки в остальных веществах.

Наименьшее взаимодействие между незаряженными частицами (рис. 22, случай III), поэтому между молекулами вещества с неполярной ковалентной связью силы притяжения ничтожны. В этом случае молекулы свободно двигаются во всех направлениях, вещество находится в газообразном состоянии *.

Подробнее о газах рассказано в уроке 30.1 данного Самоучителя. Там же рассматриваются способы решения задач по теме «Газы».

Следовательно, вещества, состоящие из неполярных молекул или молекул с неполярными связями, являются газами или летучими жидкостями. Среди веществ такого типа только йод является твёрдым (при нормальных условиях) из-за высокой массы молекул, но он легко возгоняется, переходя из твёрдого состояния сразу в газообразное состояние.

У полярных молекул (диполей) межмолекулярные взаимодействия многократно сильнее, поэтому частицы могут перемещаться «на один шаг», соблюдая ближний порядок, что обусловливает текучесть жидкости. Впрочем, молекулы с полярными связями могут быть и газообразными, и твёрдыми.

Агрегатное состояние в этом случае (при прочих равных условиях) обычно зависит:

• от молярной массы вещества (чем она больше, тем выше температура плавления или кипения);
• от степени полярности связей (чем она больше, тем выше температура плавления или кипения);
• от наличия водородных связей.

Водородные связи возникают за счёт сильно полярных связей, содержащих атом водорода: N–H, O–H, F–H.

В таких случаях на атомах возникают довольно значительные заряды (δ+) и (δ–) (но всё же меньше единицы!), и атомы (а, значит, и молекулы в целом) притягиваются друг к другу. Атом водорода имеет очень маленький радиус и может частично «внедряться» в электронное облако соединённого атома:

Поэтому все молекулы воды оказываются связанными бесчисленными водородными связями. В результате на разрыв всех этих связей требуется затратить очень много энергии (например, при испарении воды). Поэтому вода имеет аномально высокую температуру кипения:

Если рассуждать логически, опираясь на положение кислорода в периодической системе, экстраполировать параметры в системе Н₂О — H₂S — H₂Se — H₂Тe, то у воды как самого лёгкого водородного соединения шестой группы должна быть температура кипения около –80 °C! А на самом деле? А на самом деле она намного выше: +100 °C.

Выводы. Таким образом, агрегатное состояние веществ (температуры кипения и плавления) зависит:

• от типа химической связи: чем выше полярность связи, тем при прочих равных условиях выше температура плавления;
• от молекулярной массы вещества: чем выше молекулярная масса, тем при прочих равных условиях выше температура плавления;
• от наличия водородных связей, которые, фактически, увеличивают молекулярную массу.