Ионные связи между атомами. Химическая связь. Смотреть что такое "Ионная химическая связь" в других словарях

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели урока :

• Сформировать понятие об химических связях на примере ионной связи. Добиться понимания образования ионной связи как крайнего случая полярной.
• Обеспечить в ходе урока усвоение следующих основных понятий: ионы (катион, анион), ионная связь.
• Развивать умственную деятельность учащихся через создание проблемной ситуации при изучении нового материала.

Задачи:

• научить распознавать виды химической связи;
• повторить строение атома;
• исследовать механизм образования ионной химической связи;
• научить составлять схемы образования и электронные формулы ионных соединений, уравнения реакций с обозначением перехода электронов.

Оборудование : компьютер, проектор, мультимедийный ресурс, периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева, таблица «Ионная связь».

Тип урока: Формирование новых знаний.

Вид урока: Мультимедиа урок.

Х од урока

I. Организационный момент .

II. Проверка домашнего задания .

Учитель: Как атомы могут принимать устойчивые электронные конфигурации? Каковы cпособы образования ковалентной связи?

Ученик: Полярная и неполярная ковалентные связи образованы по обменному механизму. К обменному механизму относят случаи, когда в образовании электронной пары от каждого атома участвует по одному электрону. Например, водород: (слайд 2)

Связь возникает благодаря образованию общей электронной пары за счет объединения неспаренных электронов. У каждого атома есть по одному s-электрону. Атомы Н равноценны и пары одинаково принадлежат обоим атомам. Поэтому же принципу происходит образование общих электронных пар (перекрывание р-электронных облаков) при образовании молекулы F 2 . (слайд 3)

Запись H· означает, что у атома водорода на внешнем электронном слое находится 1 электрон. Запись показывает, что на внешнем электронном слое атома фтора находится 7 электронов.

При образовании молекулы N 2 . Образуются 3 общие электронные пары. Перекрываются р-орбитали. (слайд 4)

Связь называется неполярная.

Учитель: Мы сейчас рассмотрели случаи, когда образуются молекулы простого вещества. Но вокруг нас множество веществ, сложного строения. Возьмем молекулу фтороводорода. Как в этом случае происходит образование связи?

Ученик: При образовании молекулы фтороводорода перекрывается орбиталь s-электрона водорода и орбиталь р-электрона фтора Н-F. (слайд 5)

Связывающая электронная пара смещена к атому фтора, в результате чего образуется диполь . Связь называется полярная .

III. Актуализация знаний .

Учитель: Химическая связь возникает вследствие изменений, которые происходят с наружными электронными оболочками соединяющихся атомов. Это возможно потому, что наружные электронные слои не завершены у элементов, кроме инертных газов. Химическая связь объясняется стремлением атомов приобрести устойчивую электронную конфигурацию, подобную конфигурации «ближайшего» к ним инертного газа.

Учитель: Записать схему электронного строения атома натрия (у доски). (слайд 6)

Ученик: Атому натрия для достижения устойчивости электронной оболочки необходимо либо отдать один электрон, либо принять семь. Натрий легко отдаст свой далекий от ядра и слабо связанный с ним электрон.

Учитель: Составить схему отдачи электрона.

Nа° - 1ē → Nа+ = Ne

Учитель: Записать схему электронного строения атома фтора (у доски).

Учитель: Как добиться завершения заполнения электронного слоя?

Ученик: Атому фтора для достижения устойчивости электронной оболочки необходимо либо отдать семь электронов, либо принять один. Энергетически выгоднее фтору принять электрон.

Учитель: Составить схему приема электрона.

F° + 1ē → F- = Ne

IV. Изучение нового материал.

Учитель обращается с вопросом к классу, в котором ставится задача урока:

Возможны ли другие варианты, при которых атомы могут принимать устойчивые электронные конфигурации? Каковы пути образования таких связей?

Сегодня мы рассмотрим один из видов связей – ионную связь. Сопоставим строение электронных оболочек уже названных атомов и инертных газов.

Беседа с классом.

Учитель: Какой заряд имели атомы натрия и фтора до реакции?

Ученик: Атомы натрия и фтора электронейтральны, т.к. заряды их ядер уравновешиваются электронами, вращающимися вокруг ядра.

Учитель: Что происходит между атомами при отдаче и принятии электронов?

Ученик: Атомы приобретают заряды.

Учитель дает пояснения: В формуле иона дополнительно записывают его заряд. Для этого используют верхний индекс. В нем цифрой указывают величину заряда (единицу не пишут), а потом – знак (плюс или минус). Например, ион Натрия с зарядом +1 имеет формулу Na + (читается «натрий-плюс»), ион Фтора с зарядом -1 – F - («фтор-минус»), гидроксид-ион с зарядом -1 – ОН - («о-аш-минус»), карбонат-ион с зарядом -2 – CO 3 2- («цэ-о-три-два-минус»).

В формулах ионных соединений сначала записывают, не указывая зарядов, положительно заряженные ионы, а потом - отрицательно заряженные. Если формула правильная, то сумма зарядов всех ионов в ней равна нулю.

Положительно заряженный ионназывается катионом ,аотрицательно заряженный ион- анионом.

Учитель: Записываем определение в рабочие тетради:

Ион - это заряженная частица, в которую превращается атом в результате принятия или отдачи электронов.

Учитель: Как определить величину заряда иона кальция Ca 2+ ?

Ученик: Ио́н - электрически заряженная частица, образующаяся в результате потери или присоединения одного или нескольких электронов атомом. У кальция на последнем электронном уровне находятся два электрона, ионизация атома кальция происходит при отдаче двух электронов. Ca 2+ - двухзарядный катион.

Учитель: Что происходит с радиусами этих ионов?

При переходе электронейтрального атома в ионное состояние размер частицы сильно изменяется. Атом, отдавая свои валентные электроны, превращается при этом в более компактную частицу - катион. Например, при переходе атома натрия в катион Na+, имеющий, как указано выше, структуру неона, радиус частицы сильно уменьшается. Радиус аниона всегда больше радиуса соответствующего электронейтрального атома.

Учитель: Что происходит с разноименно заряженными частицами?

Ученик: Разноименно заряженные ионы натрия и фтора, возникающие в результате перехода электрона от атома натрия к атому фтора, взаимно притягиваются и образуют фторид натрия. (слайд 7)

Nа + + F - = NаF

Рассмотренная нами схема образования ионов показывает, как между атомом натрия и атомом фтора образуется химическая связь, которую называют ионной.

Ионная связь – химическая связь, образованная электростатическим притяжением друг к другу разноименно заряженных ионов.

Соединения, которые при этом образуются, называют ионными соединениями.

V. Закрепление нового материала .

Задания для закрепления знаний и умений

1. Сравните строение электронных оболочек атома кальция и катиона кальция, атома хлора и хлорид - аниона:

Прокомментируйте схему образования ионной связи в хлориде кальция:

2. Для выполнения данного задания необходимо разделиться на группы по 3–4 человека. Каждый участник группы рассматривает один пример и результаты представляет всей группе.

Ответ учащихся:

1. Кальций – это элемент главной подгруппы II группы, металл. Его атому легче отдать два внешних электрона, чем принять недостающие шесть:

2. Хлор – это элемент главной подгруппы VII группы, неметалл. Его атому легче принять один электрон, которого ему не хватает до завершения внешнего уровня, чем отдать семь элект­ронов с внешнего уровня:

3. Сначала найдем наименьшее общее кратное между зарядами образовавшихся ионов, оно равно 2 (2x1). Затем определим, сколько атомов кальция нужно взять, чтобы они отдали два электрона, то есть надо взять один атом Са и два атома CI.

4. Схематично образование ионной связи между атомами кальция и хлора можно записать: (слайд 8)

Са 2+ + 2СI - → СаСI 2

Задания для самоконтроля

1. На основе схемы образования химического соединения составьте уравнение химической реакции: (слайд 9)

2. На основе схемы образования химического соединения составьте уравнение химической реакции: (слайд 10)

3. Дана схема образования химического соединения: (слайд 11)

Выберите пару химических элементов, атомы которых могут взаимодействовать в соответствии с этой схемой:

а) Na и O ;
б) Li и F ;
в) K и O ;
г) Na и F

Ионная химическая связь – это связь, которая образуется между атомами химических элементов (положительно или отрицательно заряженные ионы). Так что же такое ионная связь, и как происходит ее образование?

Общая характеристика ионной химической связи

Ионы – это частицы, имеющие заряд, в которые превращаются атомы в процессе отдачи или принятия электронов. Притягиваются они друг к другу довольно сильно, именно по этой причине у веществ с таким типом связи высокие температуры кипения и плавления.

Рис. 1. Ионы.

Ионная связь – химическая связь между разноименными ионами, обусловленная их электростатическим притяжением. Ее можно считать предельным случаем ковалентной связи, когда разность электроотрицательностей связанных атомов так велика, что происходит полное разделение зарядов.

Рис. 2. Ионная химическая связь.

Обычно считается, что связь приобретает электронный характер, если ЭО >1,7.

Различие в значении электроотрицательности тем больше, чем дальше элементы расположены друг от друга в периодической системе по периоду. Эта связь характерна для металлов и неметаллов, особенно расположенных в наиболее удаленных группах, например, I и VII.

Пример: поваренная соль, хлорид натрия NaCl:

Рис. 3. Схема ионной химической связи хлорида натрия.

Ионная связь существует в кристаллах, она обладает прочностью, длиной, но не насыщена и не направлена. Ионная связь характерна только для сложных веществ, таких как соли, щелочи, некоторые оксиды металлов. В газообразном состоянии такие вещества существуют в виде ионных молекул.

Ионная химическая связь образуется между типичными металлами и неметаллами. Электроны в обязательном порядке от металла переходят к неметаллу, образуя ионы. В результате образуется электростатическое притяжение, которое называют ионной связью.

На самом деле полностью ионной связи не встречается. Так называемая ионная связь носит частично ионный, частично ковалентный характер. Однако связь сложных молекулярных ионов может считаться ионной.

Примеры образования ионной связи

Можно привести несколько примеров образования ионной связи:

• взаимодействие кальция и фтора

Ca 0 (атом) -2e=Ca 2 + (ион)

– кальцию легче отдать два электрона, чем получить недостающие.

F 0 (атом)+1е= F- (ион)

– фтору, наоборот, легче принять один электрон, чем отдать семь электронов.

Найдём наименьшее общее кратное между зарядами образующихся ионов. Оно равно 2. Определим число атомов фтора, которые примут два электрона от атома кальция: 2: 1 = 2. 4.

Составим формулу ионной химической связи:

Ca 0 +2F 0 →Ca 2 +F−2.

• взаимодействие натрия и кислорода

4.3 . Всего получено оценок: 281.

Все химические соединения образуются посредством образования химической связи. И в зависимости от типа соединяющихся частиц различают несколько видов. Самые основные – это ковалентная полярная, ковалентная неполярная, металлическая и ионная. Сегодня речь пойдет об ионной.

Вконтакте

Что такое ионы

Она образуется между двумя атомами – как правило, при условии, что разница электроотрицательностей между ними очень велика. Электроотрицательность атомов и ионов оценивается по шкале Поллинга.

Поэтому для того чтобы правильно рассматривать характеристики соединений, было введено понятие ионности. Эта характеристика позволяет определить на сколько процентов конкретная связь представляет именно ионную.

Соединение с максимальной ионностью это фторид цезия, в котором она составляет примерно 97%. Ионная связь характерна для веществ, образованных атомами металлов, располагающихся в первой и второй группе таблицы Д.И. Менделеева, и атомами неметаллов, находящихся в шестой и седьмой группах этой же таблицы.

Обратите внимание! Стоит заметить, что не существует соединения, в котором взаимосвязь исключительно ионная. Для открытых на данный момент элементов нельзя добиться настолько большой разницы в электроотрицательности, чтобы получить 100%-ное ионное соединение. Поэтому определение ионной связи не совсем корректно, так как реально рассматриваются соединения с частичным ионным взаимодействием.

Зачем же ввели этот термин, если реально такого явления не существует? Дело в том, что этот подход помог объяснить многие нюансы в свойствах солей, оксидов и других веществ. Например, почему они хорошо растворимы в воде, а их растворы способны проводить электрический ток . Это невозможно объяснить ни с каких других позиций.

Механизм образования

Образование ионной связи возможно только при соблюдении двух условий: если атом металла, участвующий в реакции, способен легко отдать электроны, находящиеся на последнем энергетическом уровне, а атом неметалла способен эти электроны принять. Атомы металлов по своей природе являются восстановителями, то есть способны к отдаче электронов .

Это связано с тем, что на последнем энергетическом уровне в металле могут находится от одного до трех электронов, а радиус самой частицы достаточно большой. Поэтому сила взаимодействия ядра с электронами на последнем уровне настолько мала, что они могут легко уходить с него. С неметаллами ситуация совершенно иная. Они имеют маленький радиус , а количество собственных электронов на последнем уровне может быть от трех и до семи.

И взаимодействие между ними и положительным ядром достаточно сильная, но любой атом стремится к завершению энергетического уровня, поэтому атомы неметалла стремятся получить недостающие электроны.

И когда встречаются два атома – металла и неметалла, происходит переход электронов от атома металла к атому неметалла, при этом образуется химическое взаимодействие.

Схема соединения

На рисунке наглядно видно, как именно осуществляется образование ионной связи. Изначально существуют нейтрально заряженные атомы натрия и хлора.

Первый имеет один электрон на последнем энергетическом уровне, второй семь. Далее происходит переход электрона от натрия к хлору и образование двух ионов. Которые соединяются между собой с образованием вещества. Что такое ион? Ион – это заряженная частица, в которой количество протонов не равно количеству электронов .

Отличия от ковалентного типа

Ионная связь за счет своей специфичности не имеет направленности. Это связано с тем, что электрическое поле иона представляет собой сферу, при том оно убывает или возрастает в одном направлении равномерно, подчиняясь одному и тому же закону.

В отличие от ковалентной, которая образуется за счет перекрывания электронных облаков.

Второе отличие заключается в том, что ковалентная связь насыщенна . Что это значит? Количество электронных облаков, которые могут принимать участие в взаимодействии ограниченно.

А в ионной за счет того, что электрическое поле имеет сферическую форму, оно может соединяться с неограниченным количеством ионов. А значит, можно говорить о том, что она не насыщена.

Также она может характеризоваться еще несколькими свойствами:

1. Энергия связи – это количественная характеристика, и она зависит от количества энергии, которое необходимо затратить на ее разрыв. Она зависит от двух критериев – длины связи и заряда ионов , участвующих в ее образовании. Связь тем прочнее, чем короче ее длина и больше заряды ионов, ее формирующих.
2. Длина – этот критерий уже упоминался в предыдущем пункте. Он зависит исключительно от радиуса частиц, участвующих в образовании соединения. Радиус атомов изменяется следующим образом: уменьшается по периоду при увеличении порядкового номера и увеличивается в группе.

Вещества с ионной связью

Она характерна для значительного числа химических соединений. Это большая часть всех солей, в том числе и всем известная поваренная соль. Она встречается во всех соединениях, где есть непосредственный контакт между металлом и неметаллом . Вот некоторые примеры веществ с ионной связью:

• хлориды натрия и калия,
• фторид цезия,
• оксид магния.

Также она может проявляться и в сложных соединениях.

Например, сульфат магния.

Перед вами формула вещества с ионной и ковалентной связью:

Между ионами кислорода и магния будет образовываться ионная связь, а вот сера и соединены между собой уже с помощью ковалентной полярной.

Из чего можно сделать вывод, что ионная связь характерна для сложных химических соединений.

Что такое ионная связь в химии

Виды химической связи — ионная, ковалентная, металлическая

Вывод

Свойства напрямую зависят от устройства кристаллической решетки . Поэтому все соединения с ионной связью хорошо растворимы в воде и других полярных растворителях, проводят и являются диэлектриками. При этом довольно тугоплавки и хрупки. Свойства этих веществ довольно часто применяются в устройстве электрических приборов.

Ионная связь − химическая связь, образованная в результате взаимного электростатического притяжения противоположно заряженных ионов, при котором устойчивое состояние достигается путем полного перехода общей электронной плотности к атому более электроотрицательного элемента.

Чисто ионная связь есть предельный случай ковалентной связи.

На практике полный переход электронов от одного атома к другому атому по связи не реализуется, поскольку каждый элемент имеет большую или меньшую (но не нулевую) ЭО, и любая химическая связь будет в некоторой степени ковалентной.

Такая связь возникает в случае большой разности ЭО атомов, например, между катионами s -металлов первой и второй групп периодической системы и анионами неметаллов VIА и VIIА групп (LiF, NaCl, CsF и др.).

В отличие от ковалентной связи, ионная связь не обладает направленностью . Это объясняется тем, что электрическое поле иона обладает сферической симметрией, т.е. убывает с расстоянием по одному и тому же закону в любом направлении. Поэтому взаимодействие между ионами независимо от направления.

Взаимодействие двух ионов противоположного знака не может привести к полной взаимной компенсации их силовых полей. В силу этого у них сохраняется способность притягивать ионы противоположного знака и по другим направлениям. Следовательно, в отличие от ковалентной связи, ионная связь характеризуется также ненасыщаемостью .

Отсутствие у ионной связи направленности и насыщаемости обуславливает склонность ионных молекул к ассоциации. Все ионные соединения в твердом состоянии имеют ионную кристаллическую решетку, в которой каждый ион окружен несколькими ионами противоположного знака. При этом все связи данного иона с соседними ионами равноценны.

Металлическая связь

Металлы характеризуются рядом особых свойств: электро- и теплопроводностью, характерным металлическим блеском, ковкостью, высокой пластичностью, большой прочностью. Эти специфические свойства металлов можно объяснить особым типом химической связи, получившей название металлической .

Металлическая связь – результат перекрывания делокализованных орбиталей атомов, сближающихся между собой в кристаллической решетке металла.

У большинства металлов на внешнем электронном уровне имеется значительное число вакантных орбиталей и малое число электронов.

Поэтому энергетически более выгодно, чтобы электроны не были локализованы, а принадлежали всему атому металла. В узлах решетки металла находятся положительно заряженные ионы, которые погружены в электронный «газ», распределенный по всему металлу:

Me ↔ Me n + + n .

Между положительно заряженными ионами металла (Me n +) и нелокализованными электронами (n ) существует электростатическое взаимодействие, обеспечивающее устойчивость вещества. Энергия этого взаимодействия является промежуточной между энергиями ковалентных и молекулярных кристаллов. Поэтому элементы с чисто металлической связью (s -, и p -элементы) характеризуются относительно высокими температурами плавления и твердостью.

Наличие электронов, которые свободно могут перемещаться по объему кристалла, и обеспечивают специфические свойства ме-

Водородная связь

Водородная связь – особый тип межмолекулярного взаимодействия. Атомы водорода, которые ковалентно связаны с атомом элемента, имеющего высокое значение электроотрицательности (чаще всего F, O, N, а также Cl, S и C), несут на себе относительно высокий эффективный заряд. Вследствие этого такие атомы водорода могут электростатически взаимодействовать с атомами указанных элементов.

Так, атом Н d + одной молекулы воды ориентируется и соответственно взаимодействует (что показано тремя точками) с атомом О d - другой молекулы воды:

Связи, образуемые атомом Н, находящимся между двумя атомами электроотрицательных элементов, называются водородными:

d- d+ d-

А − Н ××× В

Энергия водородной связи значительно меньше энергии обычной ковалентной связи (150–400 кДж/моль), однако этой энергии достаточно, чтобы вызвать агрегацию молекул соответствующих соединений в жидком состоянии, например, в жидком фтороводороде НF (рис. 2.14). Для соединений фтора она достигает порядка 40 кДж/моль.

Рис. 2.14. Агрегация молекул НF за счет водородных связей

Длина водородной связи также меньше длины ковалентной связи. Так, в полимере (HF) n длина связи F−H=0,092 нм, а связи F∙∙∙H= 0,14 нм. У воды длина связи O−H=0,096 нм, а связи O∙∙∙H=0,177нм.

Образование межмолекулярных водородных связей приводит к существенному изменению свойств веществ: повышению вязкости, диэлектрической постоянной, температур кипения и плавления.

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА.

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ.

3.1. Ионная химическая связь

В Периодической системе элементов особняком стоят благо­родные газы. Это уникальные химические элементы, так как даже в форме простого вещества они существуют в виде отдельных ато­мов, не связанных друг с другом.

Некоторые химики до сих пор затрудняются ответить на воп­рос, как рассматривать частицы благородных газов в простом ве­ществе: как свободные атомы или как одноатомные молекулы. Нет однозначного мнения и о том, какой тип кристаллической ре­шетки характерен для простых веществ этих элементов. По физи­ческим свойствам это вещества с молекулярными кристалличе­скими решетками, а по составу - ...? Ведь силы межмолекуляр­ного взаимодействия, удерживающие частицы в кристаллах, дей­ствуют между атомами.

Такое «равнодушное» отношение к образованию химических связей является «пределом мечтаний» для атомов всех других хи­мических элементов, которые в виде свободных атомов встреча­ются очень редко, только в экстремальных условиях.

Почему же атомы благородных газов так самодостаточны? Про­анализировав их положение в Периодической системе элементов, вы сами сможете назвать причину. Все дело в том, что атомы бла­городных газов содержат завершенный внешний электронный слой, на котором у атома гелия находятся два электрона, а у остальных - восемь. Атомы всех других элементов стремятся приобрести имен­но такую устойчивую электронную конфигурацию и часто дости­гают этого либо в результате присоединения электронов от других атомов (такой процесс в химии называют восстановлением), либо в результате отдачи своих внешних электронов другим атомам (процесс окисления). Атомы, присоединившие чужие электроны, превращаются в отрицательные ионы, или анионы. Атомы, отдав­шие свои электроны, превращаются в положительные ионы, или катионы.

Понятно, что между противоположно заряженными катиона­ми и анионами возникают силы электростатического притяжения, которые и будут удерживать ионы друг около друга, осуществляя тем самым ионную химическую связь.

Ионная химическая связь - это связь, образовавшаяся между катионами и анионами за счет их электростатического при­тяжения.

Поскольку катионы образуются преимущественно атомами металлов, а анионы - атомами неметаллов, логично сделать вы­вод, что этот тип связи характерен для бинарных (двухэлемент­ных) соединений, образованных типичными металлами (щелоч­ными и щелочноземельными) и типичными неметаллами (гало­генами, кислородом). Классическим примером веществ с ионной связью являются галогениды и оксиды щелочных и щелочнозе­мельных металлов (рис. 3.1).

Схему образования ионной связи между атомами натрия и хлора можно представить так:

Два разноименно заряженных иона, связанных силами взаим­ного притяжения, не теряют способности взаимодействовать и с другими противоположно заряженными ионами. В результате обра­зуются кристаллические соединения, состоящие из огромного числа ионов.

Кристаллические вещества характеризуются правильным рас­положением тех частиц (в нашем случае ионов), из которых они состоят, в строго определенных точках пространства. При соеди­нении этих точек прямыми линиями образуется пространствен­ный каркас, который называют кристаллической решеткой. Точ­ки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решетки. Понятно, что вещества с ионным типом связи имеют ионные кристаллические решетки (цв. вклейка, рис. 4).

Такие соединения представляют собой твердые, прочные, не­летучие вещества с высокими температурами плавления. При обыч­ных условиях кристаллы таких веществ не проводят электриче­ский ток, а растворы и расплавы большинства ионных соедине­ний представляют собой прекрасные электролиты.

Вещества с ионными кристаллическими решетками хрупкие. Если попытаться деформировать такую кристаллическую решет ку, один из ее слоев будет двигаться относительно другого до тех пор, пока одинаково заряженные ионы не окажутся друг против друга. Эти ионы сразу начнут отталкиваться, и решетка разрушит­ся. Отсюда и хрупкость ионных соединений.

Са) (Са 2 ^) + 2е

Ионные соединения - это не только бинарные соединения щелочных и щелочноземельных металлов. Это также соединения, образованные тремя и более элементами. Вы без труда сможете назвать их. Это все соли (цв. вклейка, рис. 5), а также гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов.

В заключение приведем классификацию ионов по разным при­знакам:

1) по составу различают простые (Na + , Сl - , Са 2+) и сложные (ОН - , S0 4 2- , NH 4 +) ионы;

2) по знаку заряда различают положительные ионы, или кати­оны (М n + , NH 4 + , Н +), и отрицательные ионы, или анионы (ОН - , анионы кислотных остатков);

3) по наличию гидратной оболочки различают гидратирован­ные (например, синие ионы Си 2+. 4Н 2 0) и негидратированные (на­пример, неокрашенные ионы Си 2+).

Все в нашем мире относительно. То же самое можно сказать и об ионной связи. Число соединений с ионным типом связи весь­ма ограничено, но даже в них чисто ионной связи не наблюдается. Например, отсутствуют «чистые» ионы натрия и хлора с заряда­ми +1 и -1 соответственно. Истинный заряд этих ионов составляет +0,8 и -0,8. Следовательно, даже в соединениях, которые рас­сматривают как ионные, в некоторой степени проявляется ковалентный характер связи. И, наконец, относительной истиной яв­ляется утверждение о том, что ионная связь - это результат вза­имодействия самых типичных металлов с самыми типичными не­металлами. Например, соли аммония, образованные за счет ион­ной связи между катионами аммония и анионами кислотного ос­татка (например, NH 4 Cl, NH 4 NO 3), имеющие ионную связь, со­стоят исключительно из неметаллов.

1. Почему благородные газы раньше относили к нулевой группе Периодической системы? Почему сейчас их относят к восьмой группе? Какие металлы по аналогии называют благородными? Почему?

2. Напишите электронную конфигурацию внешнего слоя атомов бла­городных газов, галогенов, щелочных металлов.

3. Дайте определение понятия «катион». Какие группы катионов вы знаете?

4. Дайте определение понятия «анион». Какие группы анионов вы зна­ете?

5. Исходя из понятий «катион» и «анион» дайте еще одно определение ионной связи.

6. Составьте схемы образования ионной связи для веществ: CaF 2 , Li 2 0, KCl.

7. Дайте определение понятий «кристаллическая решетка», «ионная кристаллическая решетка».

8. Какими физическими свойствами характеризуются вещества с ион­ными кристаллическими решетками?

9. Среди перечисленных веществ: KCl, AlCl 3 , BaO, Fe 2 O 3 , Fe 2 (S0 4) 3 , H 2 S0 4 , Si0 2 , NH 3 - определите соединения с ионной кристаллической решеткой.

10. Не проводя расчеты, определите, в каком из соединений: NaCl, KCl, LiCl, CaCl 2 - массовая доля хлора выше. Вывод подтвердите расче­тами.

11. Определите формулу ионного соединения, массовые доли элемен­тов в котором составляют: кальция 24,39 %, азота 17,07%, кислорода 58,54%.

3.2. Ковалентная химическая связь.

Альтернативным путем построения устойчивой конфигурации из восьми (для водорода - двух) электронов является их обобще­ствление, т.е. предоставление в совместное пользование. В резуль­тате такого процесса образуются Общие электронные пары, кото­рые играют роль «связующей нити» между атомами, образующи­ми химическую связь.

Химическая связь между атомами, возникающая путем обобществления электронов с образованием общих электронных пар, называется ковалентной.

Образование общей электронной пары может происходить двумя способами.

При сближении двух атомов, имеющих неспаренные электро­ны, происходит взаимное проникновение соответствующих элек­тронных орбиталей, их перекрывание. В месте перекрывания обра­зуется так называемая электронная плотность, т.е. область про­странства, где вероятность нахождения электрона значительно увеличивается. Область перекрывания условно считают обшей элек­тронной парой двух атомов. Такой механизм образования кова­лентной связи называют обменным.

Обменный механизм, например, реализуется при образовании химической связи в молекуле водорода Н 2 . Атомы водорода пере­дают в общее пользование друг другу свои единственные неспа­ренные электроны, тем самым получая завершенный энергети­ческий уровень из двух электронов, подобный атому инертного газа гелия. Образующаяся электронная пара в равной мере при­надлежит обоим атомам:

Н. + . Н → Н: Н или Н-Н

Атомы хлора также содержат по одному неспаренному элект­рону. За счет их спаривания и происходит образование химиче­ской связи, т.е. обшей электронной пары в молекуле хлора С1 2:

В обоих приведенных примерах ковалентной связью связаны атомы одного и того же элемента. Общая электронная пара в рав­ной мере принадлежит обоим атомам.

Ковалентная связь, образующаяся между атомами одного и того же элемента, называется неполярной.

Обобществлять электроны с образованием ковалентной связи могут атомы разных элементов. В этом случае необходимо прини­мать во внимание такое свойство химического элемента, как элек-троотрицательность.

Электроотрицательностью называют свойство атомов элемента оттягивать к себе общие электронные пары.

Важнейшие элементы-неметаллы можно расположить в следу­ющий ряд по усилению их электроотрицательности:

Рассмотрим образование ковалентной связи в молекуле амми­ака. Атом азота содержит на внешнем энергетическом уровне пять электронов в полном соответствии с номером группы, из кото­рых три электрона неспаренные (чтобы определить число неспаренных электронов, нужно от заветной восьмерки отнять число внешних электронов, в нашем случае: 8 - 5 = 3).

Химические связи в молекуле аммиака образуются за счет об­разования трех электронных пар между тремя атомами водорода и одним атомом азота:

Атом азота значительно более электроотрицателен, чем водо­род, поэтому в большей степени притягивает к себе общие элек­тронные пары. В результате такого смещения атом азота приобре­тает частичный отрицательный заряд δ-, атомы водорода - час­тичный положительный заряд δ+.

Ковалентная химическая связь между атомами с различной электроотрицательностью называется полярной.

Во всех приведенных выше примерах химическая связь осуще­ствляется за счет одной общей пары электронов. Однако атомы способны образовывать также две или три общие электронные пары, например в молекулах оксида углерода(IV) или азота:

В молекуле аммиака каждый атом дополнил свою электронную оболочку до конфигурации благородного газа: атом азота получил восемь электронов, атомы водорода - по два электрона. При этом у атома азота осталась неподеленная пара электронов, за счет которой он может образовать четвертую химическую связь с катионом водорода, т.е. частицей, вообще лишенной электронов. При этом механизм возникновения четвертой связи N-Н иной. Атом азота, предоставивший для образования связи пару элект­ронов, называют донором , а катион водорода, предложивший пу­стую орбиталь - акцептором . Получившаяся при этом частица несет положительный заряд и называется катионом аммония:

Такой механизм образования ковалентной связи называют донорно-акцепторным . Все четыре связи N -Н в катионе аммония абсолютно равноценны, невозможно различить, какая из них обра­зована по донорно-акцепторному, а какая - по обменному меха­низму.

Вещества с ковалентным типом связи в твердом состоянии образуют кристаллические решетки двух типов: атомные и моле­кулярные.

Кристаллические решетки, в узлах которых расположены ато­мы, называют атомными . Вещества с атомной кристаллической решеткой характеризуются большой прочностью и твердостью, высокой температурой плавления, они нелетучи, без химическо­го взаимодействия практически не растворяются ни в каких рас­творителях. Примерами таких веществ могут служить алмаз, кварц Si0 2 , оксид алюминия, карборунд SiC.

Кристаллические решетки, в узлах которых расположены мо­лекулы вещества, называют молекулярными . Внутримолекулярные ковалентные связи достаточно прочны, но отдельные молекулы соединены между собой довольно слабыми межмолекулярными силами. Поэтому молекулярная решетка самая непрочная среди всех типов решеток. Такие вещества имеют небольшую твердость, сравнительно низкие температуры плавления; они летучи. Приме­рами соединений с молекулярной кристаллической решеткой могут служить вода, йод, углекислый газ, уксусная кислота, сахароза.

Все аллотропные модификации углерода, в том числе и наибо­лее известные - алмаз и графит, имеют атомные кристалличес­кие решетки (цв. вклейка, рис. 6, 7).

? 1. Дайте определение ковалентной связи. Какие два механизма ее образования вы знаете? Приведите примеры, напишите схемы.

2. Дайте определение ковалентной неполярной связи. Приведите при­меры, напишите схемы.

3. Дайте определение ковалентной полярной связи. Приведите приме­ры, напишите схемы образования ковалентной связи по обменному и донорно-акцепторному механизму.

4. Какие типы связей характерны для следующих вешеств: Вг 2 , НВг, КВг? Напишите схемы их образования.

5. Как различают ковалентные связи по кратности? Какие связи обра­зуются в следующих соединениях: SО 2 , H 2 S, HCN? Напишите структур­ные формулы этих веществ.

6. Не проводя расчетов, укажите, в каком из оксидов серы: SО 2 и SO 3 - содержание серы максимально. Вывод подтвердите расчетами.

7. При сжигании 24 г углерода получено 33,6 л углекислого газа. Како­ва массовая доля примесей в образце углерода?

8. Можно ли рассматривать ионную связь как ковалентную? Почему?

3.3. Металлическая химическая связь

Атомы металлов характеризуются тремя отличительными осо­бенностями.

Во-первых, они имеют 1-3 электрона на внешнем энергети­ческом уровне. Однако у атомов олова и свинца валентных элект­ронов четыре, у сурьмы и висмута - пять, у полония - шесть. Почему же эти элементы являются металлами? Очевидно, начи­нает сказываться вторая отличительная особенность строения ато­мов металлов - их сравнительно большой радиус. Наконец, в-третьих, атомы металлов имеют большое число свободных орбиталей. Так, у атома натрия, например, один внешний валентный электрон располагается на третьем энергетическом уровне, который имеет девять орбиталей (одну s- , три р- и пять d- орбиталей).

При сближении атомов металлов их свободные орбитали могут перекрываться, и валентные электроны получают возможность перемешаться с орбитали одного атома на свободную и близкую по энергии орбиталь соседних атомов. Атом, от которого «ушел» электрон, превращается при этом в ион. В результате этого в ме­таллическом изделии или кусочке металла формируется совокуп­ность свободных электронов, которые непрерывно перемещаются между ионами. При этом, притягиваясь к положительным ионам металла, электроны вновь превращают их в атомы, затем снова отрываются, превращая последние в ионы, и так происходит бес­конечно. Следовательно, в простых веществах металлах реализует­ся бесконечный процесс превращения атом ион, который осуществляют валентные электроны, а частицы, из которых со­стоят металлы, так и называют атом-ионами:

Такая же картина наблюдается и в металлических сплавах.

Металлической связью называют связь в металлах и сплавах между атом-ионами металлов, осуществляемую совокупно­стью валентных электронов.

Металлическая связь определяет и особое кристаллическое стро­ение металлов и сплавов - металлическую кристаллическую ре­шетку , в узлах которой расположены атом-ионы.

Металлическая кристаллическая решетка и металлическая связь обусловливают и все наиболее характерные свойства металлов: ковкость, пластичность, тягучесть, электро- и теплопроводность, металлический блеск, способность к образованию сплавов.

Пластичностью объясняется способность металлов расплющи­ваться при ударе или вытягиваться в проволоку под действием силы. Это важнейшее механическое свойство металлов лежит в основе уважаемой большинством народов мира профессии кузне­ца. Недаром среди богов разных верований почти единственным рабочим богом был бог огня, покровитель кузнечного ремесла: у греков - Гефест, у римлян - Вулкан, у славян - Сварог. Плас­тичность металла объясняется тем, что под внешним воздействи­ем слои атом-ионов в кристаллах легко смещаются, как бы сколь­зят друг относительно друга без разрыва связи между ними. Неко­торое представление об этом вам может дать простейший опыт. Если между двумя плоскими стеклянными пластинками, например между зеркальцами, поместить несколько капель воды, то зеркальца будут легко скользить друг по другу, а вот разъединить их будет довольно трудно. В нашем опыте вода играет роль совокупности электронов металла.

Наиболее пластичны золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить самую тонкую фольгу толщиной всего 0,003 мм. Такие тонкие листочки фольги используют для золочения изделий, на­пример деревянной резьбы. Художественные изделия из золота, созданные благодаря его пластичности, дошли до нас через тыся­челетия (цв. вклейка, рис. 8).

Высокая электрическая проводимость металлов как раз и обу­словлена наличием в них совокупности подвижных электронов, которые под действием электрического поля приобретают направ­ленное движение. Лучшими проводниками электрического тока являются серебро и медь. Немного уступает им алюминий. Однако в большинстве стран все чаще и чаще провода изготавливают не из меди, а из более дешевого алюминия. Хуже всего электриче­ский ток проводят марганец, свинец и ртуть, а также вольфрам и некоторые подобные ему тугоплавкие металлы. Электрическое со­противление вольфрама настолько велико, что он начинает све­титься при прохождении через него тока, что используют для из­готовления нитей ламп накаливания (рис. 3.2).

Аналогично электропроводности изменяется и теплопроводность металлов, которая также объясняется высокой подвижностью элек­тронов, которые, сталкиваясь с колеблющимися в узлах решетки ионами металлов, обмениваются с ними тепловой энергией. С повышением температуры эти колебания ионов с помощью элек­тронов передаются другим ионам, и температура металла быстро выравнивается. О практическом значе­нии этого свойства вы можете судить по кухонной металлической посуде.

Гладкая поверхность металла или ме­таллического изделия характеризуется металлическим блеском, который явля­ется результатом отражения световых лучей. Высокой световой отражательной способностью обладают металлы: ртуть (из нее раньше готовили знаменитые ве­нецианские зеркала), серебро, палладий и алюминий. Из последних трех метал­лов изготавливают зеркала, прожекто­ры и фары.

В порошке металлы теряют блеск, приобретая черную или серую окраску, и только магний и алюминий сохраняют его. Поэтому из алюминиевой пыли изготавливают декоративное покрытие - краску «серебрянку». От­раженный поверхностью металлов свет и определяет серебристо-белый цвет большинства металлов, так как они рассеивают в рав­ной степени все лучи видимой части спектра. А вот золото и медь поглощают в большей степени лучи с короткой длиной волны, близкие к фиолетовым, отражая при этом длинноволновые лучи, а потому и окрашены соответственно в желтый (червонный) или красно-желтый (медный) цвета. Посмотрите на рис. 9 на цветной вклейке, где представлены изготовленные природой причудли­вые самородки металлов, имеющие соответствующую окраску.

Еще в глубокой древности люди заметили, что сплавы облада­ют другими, нередко более полезными свойствами, чем состав­ляющие их чистые металлы. Поэтому в чистом виде металлы ис­пользуют редко. Чаще применяют их сплавы. Из чуть более 80 из­вестных металлов получены десятки тысяч различных сплавов. Например, у первого полученного человеком сплава - бронзы прочность выше, чем у составляющих се меди и олова. Сталь и чугун прочнее чистого железа. Чистый алюминий - очень мягкий металл, сравнительно непрочный на разрыв. Но сплав, состоящий из алюминия, магния, марганца, меди, никеля, называемый дюр­алюминием, в 4 раза прочнее алюминия на разрыв, а потому его образно называют «крылатым металлом» и используют для изго­товления конструкций самолетов (рис. 3.3).

Кроме большей прочности сплавы обладают и более высокой коррозионной стойкостью и твердостью, лучшими литейными свойствами, чем чистые металлы. Так, чистая медь очень плохо поддается литью, в то же время оловянная бронза имеет прекрас­ные литейные качества - из нее отливают художественные изде­лия, которые требуют тонкой проработки деталей. Чугун - сплав железа с углеродом - также великолепный литейный материал.

Кроме высоких механических качеств сплавам присущи свой­ства, которых нет у чистых ме­таллов. Например, нержавеющая сталь - сплав на основе желе­за - обладает высокой жаропроч­ностью и коррозионной стойко­стью даже в агрессивных средах.

Начавшаяся примерно 100 лет назад научно-техническая рево­люция, затронувшая и промыш­ленность, и социальную сферу, также тесно связана с производ­ством металлов и сплавов.

На основе вольфрама, молиб­дена, титана и других металлов начали создавать устойчивые к коррозии, сверхтвердые и туго­плавкие сплавы, применение которых значительно расширило возможности машиностроения. В ядерной и космической тех­нике (рис. 3.4) из сплава вольф­рама и рения делают детали, ра­ботающие при температуре до 3000 0 С.

В медицине используют хирургические инструменты и имплантаты из сплавов тантала и платины.

I. Какими особенностями характеризуется строение атомов металлов? Какое положение в таблице Менделеева занимают метал­лы?

2. Дайте определение металлической связи. Что общего у нее с ионной и ковалентной связями?

3. Какое строение имеет металлическая кристаллическая решетка? Сравните ее с ионной и атомной кристаллическими решетками.

4. Какие физические свойства металлов определяются их кристалли­ческим строением?

5. Назовите жидкий при обычных условиях металл. Какие правила тех­ники безопасности необходимо соблюдать при работе с предметами, содержащими этот металл?

6. В состав бронзы входят 20% олова и 80% меди. Рассчитайте массу каждого компонента бронзы, необходимой для изготовления скульпту­ры массой 200 кг. Какое количество вещества каждого металла потребо­валось для этого?

7. Плотность металлического золота равна 19 г/см 3 . Определите пло­щадь золотой пленки толщиной 0,003 мм, которую можно изготовить из кусочка металла массой 3 г.

8. Для получения металлической меди используют два ее природных оксида, содержащих соответственно 89 и 80 % металла. Определите фор­мулы оксидов.

9. В знаменитом легкоплавком сплаве Вуда с температурой плавления всею 62 0 С массовая доля висмута в два раза больше, чем свинца; массовая доля свинца в два раза больше, чем олова; а массовая доля кадмия равна массовой доле олова. Рассчитайте массовые доли металлов в сплаве.

3.4. Водородная химическая связь

Рассмотрением водородной связи завершаем знакомство с ти­пами химической связи. И эо не случайно.

Во-первых, водородная связь - предмет нескончаемых дис­куссий между физиками и химиками, с различных точек зрения рассматривающих этот тип связи. Физики утверждают, что это разновидность межмолекулярного взаимодействия, имеющего физическую природу, и аргументируют тем, что энергия такой связи составляет всего лишь 4 -40 кДж/моль. Большинство хими­ков придерживаются иной точки зрения, которая будет изложена ниже.

Во-вторых, рассмотрение водородной связи позволит сравнить эту связь с другими типами и тем самым обобщить наши пред­оставлении о природе химической связи вообще.

В-третьих, это самая значимая на нашей планете химическая связь, ибо она определяет структуру тех соединений, которые являются носителями жизни на Земле, отвечают за хранение и воспроизведение наследственной информации живых организмов.

Все изученные ранее типы химической связи имеют названия, в основу которых положены обобщенные химические понятия: ионы, атомы, металлы. А «водородная связь» - специфический термин, ассоциирующийся с конкретным химическим элемен­том - водородом. Очевидно, это связано со спецификой строе­ния атома водорода, имеющего один валентный электрон. Уча­ствуя в образовании химической связи, этот электрон обнажает крошечное ядро атома водорода, представляющее собой ни что иное как протон.

Химическую связь между атомами водорода одной молекулы и атомами электроотрицательных элементов (фтором, кис­лородом, азотом) другой молекулы называют водородной.

Межмолекулярная водородная связь объясняет тот факт, что вещества с небольшими относительными молекулярными масса­ми при обычных условиях представляют собой жидкости (вода, спирты - метиловый, этиловый, карбоновые кислоты - муравьиная, уксусная) или легко сжижаемые газы (аммиак, фтороводород).

Механизм образования водородной связи имеет двойную при­роду. С одной стороны, он состоит в электростатическом притя­жении между атомом водорода с частичным положительным за­рядом и атомом кислорода (фтора или азота) с частичным отри­цательным зарядом. С другой стороны, в образование водородной связи вносит свой вклад и донорно-акцепторное взаимодействие между почти свободной орбиталью атома водорода и неподеленной электронной парой атома кислорода (фтора или азота). На­пример, вода ассоциирована в жидкость за счет водородных свя­зей, возникающих между молекулами-диполями:

В жидкой воде образуется множество водородных связей между молекулами.

Способность некоторых газов за счет образования водородных связей легко сжижаться и вновь переходить в газообразное состо­яние с поглощением теплоты позволяет использовать их в каче­стве хладагентов в промышленных холодильных установках. Наиболее широко применяется в этой роли аммиак:

Именно водородными связями объясняются аномально высо­кие температуры кипения (100°С) и плавления (0 0 С) воды. При этом, в отличие от большинства других жидкостей плотность воды при переходе в твердое состояние (лед, снег) не увеличивается, а уменьшается. Это объясняет тот факт, что лед легче воды и не тонет в ней, а потому водоемы не промерзают зимой до дна, тем самым сохраняя жизнь водным обитателям.

Водородные связи в немалой степени способствуют образова­нию кристаллов в виде бесконечного разнообразия снежинок.

Все рассмотренные выше примеры касались такой разновид­ности водородной связи, которая называется межмолекулярной водородной связью . Однако еще более важна в организации струк­тур жизненно важных молекул внутримолекулярная водородная связь . Эта связь определяет вторичную структуру белковых молекул.

Белковая молекула представляет длинную полимерную цепоч­ку, закрученную в спираль. Витки этой спирали удерживаются от раскручивания за счет водород­ных связей между атомами во­дорода и кислорода участков первичной структуры белковой молекулы.

Будучи очень нежной и уяз­вимой водородная связь в бел­ках может легко разрушаться - белки денатурируют. Такая дена­турация может быть обратимой и необратимой.

Обратимая денатурация белковых молекул имеет социальное значение. Так, денатурирующими факторами белков чело­веческого организма могут слу­жить механические воздействия (работники дорожных служб, шах­теры, горняки и другие специалисты, использующие вибрирую­щие инструменты), действие высоких температур (рабочие горячих цехов - металлурги (рис. 3.5), стекловары и т.д.), электро­магнитное излучение (врачи-рентгенологи, работники АЭС), хи­мическое воздействие (работники химических производств). А потому, все перечисленные категории работников для компенсации вредного воздействия условий труда на организм пользуются предусмотренными законодательством Российской Федерации льгота­ми: имеют сокращенный рабочий день, большую продолжитель­ность оплачиваемого отпуска, специальное питание, более ран­ний выход на пенсию, более высокую заработную плату.

Необратимая денатурация хорошо вам известна по процедуре варки яиц или приготовления мяса, рыбы и других белковых про­дуктов.

О том, как денатурирующие факторы приводят к разрушению природной структуры белковых молекул, можно судить по не­сложным опытам. Если к раствору белка куриного яйца прилить немного этилового спирта или соли тяжелого металла (медного купороса, нитрата свинца(II)), можно будет заметить выпадение осадка вследствие денатурации белка. Аналогичным действием обладает никотин, очень крепкий чай и кофе. Может быть, эти опыты помогут вам понять, как губительны такие вредные при­вычки, как курение, употребление спиртного и др.

1. Дайте определение водородной связи. Какую точку зрения - физиков или химиков - вы разделяете по вопросу ее природы?

2. Каков механизм возникновения водородной связи? Какие виды водородной связи вы знаете?

3. Какими особыми свойствами обладают вещества с межмолекуляр­ной водородной связью?

4. Какую роль играет межмолекулярная водородная связь в практиче­ской жизни человека и в природе?

5. Какую роль играет внутримолекулярная водородная связь в органи­зации структуры белков?

6. В чем, по-вашему, состоит социальная роль водородных связей? Ответ проиллюстрируйте примерами из практической жизни человека.

7. Приготовьте сообщение о химической природе негативных послед­ствий курения и употребления алкоголя для организма человека.