Залежність властивостей від будови кристалічних ґрат. Урок відкритих думок із хімії на тему "Залежність властивостей речовин від будови молекул". У вузлах атомної кристалічної решітки

Ковалентний хімічний зв'язок, його різновиди та механізми освіти. Характеристика ковалентного зв'язку (полярність та енергія зв'язку). Іонний зв'язок. Металевий зв'язок. Водневий зв'язок

Вчення про хімічний зв'язок становить основу всієї теоретичної хімії.

Під хімічним зв'язком розуміють таку взаємодію атомів, яка пов'язує їх у молекули, іони, радикали, кристали.

Розрізняють чотири типи хімічних зв'язків: іонну, ковалентну, металеву та водневу.

Розподіл хімічних зв'язків на типи носить умовний характер, оскільки всі вони характеризуються певною єдністю.

Іонний зв'язок можна розглядати як граничний випадок ковалентного полярного зв'язку.

Металевий зв'язок поєднує ковалентну взаємодію атомів за допомогою узагальнених електронів та електростатичного тяжіння між цими електронами та іонами металів.

У речовинах часто відсутні граничні випадки хімічного зв'язку (чи чисті хімічні зв'язки).

Наприклад, фторид літію $LiF$ відносять до іонних сполук. Фактично ж у ньому зв'язок на $80% іонний і на $20% ковалентний. Правильніше тому, очевидно, говорити про рівень полярності (іонності) хімічного зв'язку.

У ряді галогеноводородів $HF-HCl-HBr-HI-HАt$ ступінь полярності зв'язку зменшується, бо зменшується різниця в значеннях електронегативності атомів галогену і водню, і в астатоводороді зв'язок стає майже неполярною $(ЕО(Н) = 2.1; ЕО(At) = 2.2) $.

Різні типи зв'язків можуть міститися в тих самих речовинах, наприклад:

1. в основах: між атомами кисню та водню в гідроксогрупах зв'язок полярний ковалентний, а між металом та гідроксогрупою - іонний;
2. у солях кисневмісних кислот: між атомом неметалу та киснем кислотного залишку — ковалентна полярна, а між металом та кислотним залишком — іонна;
3. у солях амонію, метиламонію тощо: між атомами азоту та водню — ковалентна полярна, а між іонами амонію або метиламонію та кислотним залишком — іонна;
4. у пероксидах металів (наприклад, $Na_2O_2$) зв'язок між атомами кисню ковалентний неполярний, а між металом і киснем - іонний і т.д.

Різні типи зв'язків можуть переходити одна в одну:

— при електролітичній дисоціації у воді ковалентних сполук ковалентний полярний зв'язок перетворюється на іонний;

— при випаровуванні металів металевий зв'язок перетворюється на ковалентний неполярний і т.д.

Причиною єдності всіх типів та видів хімічних зв'язків служить їхня однакова хімічна природа — електронно-ядерна взаємодія. Утворення хімічного зв'язку в будь-якому випадку є результатом електронно-ядерної взаємодії атомів, що супроводжується виділенням енергії.

Способи утворення ковалентного зв'язку. Характеристики ковалентного зв'язку: довжина та енергія зв'язку

Ковалентний хімічний зв'язок - це зв'язок, що виникає між атомами за рахунок утворення загальних електронних пар.

Механізм утворення такого зв'язку може бути обмінним та донорно-акцепторним.

I. Обмінний механізмдіє, коли атоми утворюють загальні електронні пари з допомогою об'єднання неспарених електронів.

1) $H_2$ - водень:

Зв'язок виникає завдяки утворенню загальної електронної пари $s$-електронами атомів водню (перекривання $s$-орбіталей):

2) $HCl$ - хлороводень:

Зв'язок виникає за рахунок утворення загальної електронної пари з $s-$ і $p-$електронів (перекриття $s-p-$орбіталей):

3) $Cl_2$: у молекулі хлору ковалентний зв'язок утворюється за рахунок непарних $p-$електронів (перекривання $p-p-$орбіталей):

4) $N_2$: у молекулі азоту між атомами утворюються три загальні електронні пари:

ІІ. Донорно-акцепторний механізмосвіти ковалентного зв'язку розглянемо з прикладу іона амонію $NH_4^+$.

Донор має електронну пару, акцептор - вільну орбіталь, яку ця пара може зайняти. В іоні амонію всі чотири зв'язки з атомами водню ковалентні: три утворилися завдяки створенню спільних електронних пар атомом азоту та атомами водню за обмінним механізмом, один — за донорно-акцепторним механізмом.

Ковалентні зв'язки можна класифікувати за способом перекривання електронних орбіталей, а також усунення їх до одного із зв'язаних атомів.

Хімічні зв'язки, що утворюються в результаті перекриття електронних орбіталей вздовж лінії зв'язку, називаються $σ$ -зв'язками (сигма-зв'язками). Сигма-зв'язок дуже міцний.

$p-$Орбіталі можуть перекриватися у двох областях, утворюючи ковалентний зв'язок за рахунок бічного перекривання:

Хімічні зв'язку, які у результаті «бічного» перекриття електронних орбіталей поза лінії зв'язку, тобто. у двох областях, називаються $π$ -зв'язками (пі-зв'язками).

за ступеня зміщеностізагальних електронних пар до одного із зв'язаних ними атомів ковалентний зв'язок може бути полярнийі неполярний.

Ковалентний хімічний зв'язок, що утворюється між атомами з однаковою електронегативністю, називають неполярний.Електронні пари не зміщені до жодного з атомів, т.к. атоми мають однакову ЕО — властивість відтягувати себе валентні електрони з інших атомів. Наприклад:

тобто. за допомогою ковалентного неполярного зв'язку утворені молекули простих речовин-неметалів. Ковалентний хімічний зв'язок між атомами елементів, електронегативності яких різняться полярний.

Довжина та енергія ковалентного зв'язку.

Характерні властивості ковалентного зв'язку- Її довжина та енергія. Довжина зв'язку- Це відстань між ядрами атомів. Хімічний зв'язок тим міцніший, чим менша його довжина. Однак мірою міцності зв'язку є енергія зв'язкуяка визначається кількістю енергії, необхідної для розриву зв'язку. Зазвичай вона вимірюється кДж/моль. Так, згідно з досвідченими даними, довжини зв'язку молекул $H_2, Cl_2$ і $N_2$ відповідно становлять $0.074, 0.198$ і $0.109$ нм, а енергії зв'язку відповідно дорівнюють $436, 242$ і $946$ кДж/моль.

Іони. Іонний зв'язок

Уявімо, що «зустрічаються» два атоми: атом металу I групи та атом неметалу VII групи. У атома металу на зовнішньому енергетичному рівні знаходиться єдиний електрон, а атому неметалу якраз не вистачає саме одного електрона, щоб його зовнішній рівень виявився завершеним.

Перший атом легко віддасть другому свій далекий від ядра і слабко пов'язаний із ним електрон, а другий надасть йому вільне місце своєму зовнішньому електронному рівні.

Тоді атом, позбавлений одного свого негативного заряду, стане позитивно зарядженою частинкою, а другий перетвориться на негативно заряджену частинку завдяки отриманому електрону. Такі частки називаються іонами.

Хімічний зв'язок, що виникає між іонами, називається іонним.

Розглянемо утворення цього зв'язку на прикладі добре всім знайомого з'єднання хлориду натрію (кухонна сіль):

Процес перетворення атомів на іони зображений на схемі:

Таке перетворення атомів на іони відбувається завжди при взаємодії атомів типових металів і типових неметалів.

Розглянемо алгоритм (послідовність) міркувань під час запису утворення іонного зв'язку, наприклад між атомами кальцію та хлору:

Цифри, що показують число атомів чи молекул, називаються коефіцієнтами, а цифри, що показують число атомів чи іонів у молекулі, називають індексами.

Металевий зв'язок

Ознайомимося з тим, як взаємодіють між собою атоми елементів-металів. Метали зазвичай існують у вигляді ізольованих атомів, а формі шматка, зливка чи металевого вироби. Що утримує атоми металу у єдиному обсязі?

Атоми більшості металів на зовнішньому рівні містять невелику кількість електронів - $ 1, 2, 3 $. Ці електрони легко відриваються, і атоми у своїй перетворюються на позитивні іони. Електрони, що відірвалися, переміщаються від одного іона до іншого, зв'язуючи їх в єдине ціле. Поєднуючись з іонами, ці електрони утворюють тимчасово атоми, потім знову відриваються і з'єднуються вже з іншим іоном і т.д. Отже, в обсязі металу атоми безперервно перетворюються на іони і навпаки.

Зв'язок у металах між іонами за допомогою узагальнених електронів називається металевим.

На малюнку схематично зображено будову фрагмента металу натрію.

При цьому невелика кількість узагальнених електронів пов'язує велику кількість іонів та атомів.

Металевий зв'язок має деяку подібність до ковалентного, оскільки заснований на усуспільненні зовнішніх електронів. Однак при ковалентному зв'язку узагальнено зовнішні непарні електрони тільки двох сусідніх атомів, у той час як при металевому зв'язку в усуспільненні цих електронів беруть участь усі атоми. Саме тому кристали з ковалентним зв'язком крихкі, а з металевим, як правило, пластичні, електропровідні і мають металевий блиск.

Металевий зв'язок характерний як для чистих металів, так і для сумішей різних металів — сплавів, що знаходяться в твердому та рідкому станах.

Водневий зв'язок

Хімічний зв'язок між позитивно поляризованими атомами водню однієї молекули (або її частини) та негативно поляризованими атомами сильно електронегативних елементів, що мають неподілені електронні пари ($F, O, N$ і рідше $S$ і $Cl$), іншої молекули (або її частини) називають водневою.

Механізм утворення водневого зв'язку має частково електростатичний, частково донорно-акцепторний характер.

Приклади міжмолекулярного водневого зв'язку:

За наявності такого зв'язку навіть низькомолекулярні речовини можуть бути за звичайних умов рідинами (спирт, вода) або газами, що легко зріджуються (аміак, фтороводород).

Речовини з водневим зв'язком мають молекулярні кристалічні ґрати.

Речовини молекулярної та немолекулярної будови. Тип кристалічних ґрат. Залежність властивостей речовин від їх складу та будови

Молекулярна та немолекулярна будова речовин

У хімічні взаємодії вступають не окремі атоми чи молекули, а речовини. Речовина за заданих умов може бути в одному з трьох агрегатних станів: твердому, рідкому або газоподібному. Властивості речовини залежать також від характеру хімічного зв'язку між частинками, що його утворюють, — молекулами, атомами або іонами. За типом зв'язку розрізняють речовини молекулярної та немолекулярної будови.

Речовини, що складаються з молекул, називаються молекулярними речовинами. Зв'язки між молекулами в таких речовинах дуже слабкі, набагато слабші, ніж між атомами всередині молекули, і вже при порівняно низьких температурах вони розриваються - речовина перетворюється на рідину і далі на газ (ліхтар йоду). Температури плавлення та кипіння речовин, що складаються з молекул, підвищуються із збільшенням молекулярної маси.

До молекулярних речовин відносяться речовини з атомною структурою ($C, Si, Li, Na, K, Cu, Fe, W$), серед них є метали та неметали.

Розглянемо фізичні властивості лужних металів. Відносно мала міцність зв'язок між атомами зумовлює низьку механічну міцність: лужні метали м'які, легко ріжуться ножем.

Великі розміри атомів призводять до малої щільності лужних металів: літію, натрію і калію навіть легше води. У групі лужних металів температури кипіння та плавлення знижуються із збільшенням порядкового номера елемента, т.к. розміри атомів збільшуються і слабшають зв'язки.

До речовин немолекулярногобудови відносяться іонні сполуки. Така будова має більшість сполук металів з неметалами: всі солі ($NaCl, K_2SO_4$), деякі гідриди ($LiH$) і оксиди ($CaO, MgO, FeO$), основи ($NaOH, KOH$). Іонні (немолекулярні) речовини мають високі температури плавлення та кипіння.

Кристалічні грати

Речовина, як відомо, може існувати у трьох агрегатних станах: газоподібному, рідкому та твердому.

Тверді речовини: аморфні та кристалічні.

Розглянемо, як впливають особливості хімічних зв'язків на властивості твердих речовин. Тверді речовини поділяються на кристалічніі аморфні.

Аморфні речовини не мають чіткої температури плавлення – при нагріванні вони поступово розм'якшуються та переходять у плинний стан. В аморфному стані, наприклад, знаходяться пластилін та різні смоли.

Кристалічні речовини характеризуються правильним розташуванням тих частинок, з яких вони складаються: атомів, молекул та іонів - у певних точках простору. При з'єднанні цих точок прямими лініями утворюється просторовий каркас, який називається кристалічною решіткою. Точки, в яких розміщені частинки кристала, називають вузлами ґрат.

Залежно від типу частинок, розташованих у вузлах кристалічних ґрат, і характеру зв'язку між ними розрізняють чотири типи кристалічних ґрат: іонні, атомні, молекулярніі металеві.

Іонні кристалічні ґрати.

Іонниминазивають кристалічні грати, у вузлах яких є іони. Їх утворюють речовини з іонним зв'язком, яким можуть бути пов'язані як прості іони $Na^(+), Cl^(-)$, так і складні $SO_4^(2−), ОН^-$. Отже, іонні кристалічні грати мають солі, деякі оксиди і гідроксиди металів. Наприклад, кристал хлориду натрію складається з позитивних іонів, що чергуються $Na^+$ і негативних $Cl^-$, що утворюють грати у формі куба. Зв'язки між іонами у такому кристалі дуже стійкі. Тому речовини з іонною решіткою відрізняються порівняно високою твердістю та міцністю, вони тугоплавкі та нелеткі.

Атомні кристалічні ґрати.

Атомниминазивають кристалічні грати, у вузлах яких є окремі атоми. У таких ґратах атоми з'єднані між собою дуже міцними ковалентними зв'язками. Прикладом речовин з таким типом кристалічних решіток може бути алмаз - одна з алотропних видозмін вуглецю.

Більшість речовин з атомними кристалічними гратами мають дуже високі температури плавлення (наприклад, у алмазу вона вище $3500°С$), вони міцні і тверді, практично нерозчинні.

Молекулярні кристалічні ґрати.

Молекулярниминазивають кристалічні ґрати, у вузлах яких розташовуються молекули. Хімічні зв'язки у цих молекулах може бути і полярними ($HCl, H_2O$), і неполярними ($N_2, O_2$). Незважаючи на те, що атоми всередині молекул пов'язані дуже міцними зв'язками ковалентними, між самими молекулами діють слабкі сили міжмолекулярного тяжіння. Тому речовини з молекулярними кристалічними ґратами мають малу твердість, низькі температури плавлення, летючі. Більшість твердих органічних сполук мають молекулярні кристалічні ґрати (нафталін, глюкоза, цукор).

Металеві кристалічні грати.

Речовини з металевим зв'язком мають металеві кристалічні ґрати. У вузлах таких ґрат знаходяться атоми та іони (то атоми, то іони, в які легко перетворюються атоми металу, віддаючи свої зовнішні електрони «в загальне користування»). Така внутрішня будова металів визначає їх характерні фізичні властивості: ковкість, пластичність, електро- та теплопровідність, характерний металевий блиск.

Завдання з коментарями та рішеннями

Приклад 17Молекулярні кристалічні грати має кожну з двох речовин:

1) графіт та алмаз

2) кремній та йод

3) хлор та оксид вуглецю(IV)

4) хлорид барію та оксид барію

Залежно від виду частинок та характеру зв'язку між ними розрізняють чотири типи кристалічних ґрат: іонні, атомні, молекулярні та металеві. У вузлах кристалічних ґрат алмазу та кремнію знаходяться атоми, з'єднані міцними ковалентними зв'язками. Речовини хлорид барію та оксид барію утворені за типом іонного зв'язку. Кристалічні грати, у вузлах яких знаходяться молекули (полярні та неполярні), називаються молекулярними. Тільки хлор, молекула якого утворена ковалентним неполярним зв'язком, та оксид вуглецю(1У), для молекули якого характерний ковалентний полярний зв'язок, мають молекулярні кристалічні грати.

приклад 18.Кристалічні грати алмазу та графіту

1) атомна

2) металева

4) молекулярна

Прості речовини – алотропні різновиди вуглецю – не можуть мати іонну будову. Металева решітка для неметалу вуглецю також неможлива. Нарешті, виключимо молекулярну решітку, т.к. ні алмаз, ні графіт не утворюють ізольованих молекул. Кристалічні грати алмазу та графіту - атомні.

Приклад 19.Немолекулярна будова має

1) фулерен

4) вуглекислий газ

Фуллерен - алотропна модифікація вуглецю - складається з окремих молекул 60 і 70 , тобто. має молекулярну будову. Молекулярну будову мають також вода та вуглекислий газ. Вони складаються, відповідно, молекул Н 2 O і С 2 . Методом виключення приходимо до висновку, що немолекулярна будова має діамант. Дійсно, висока твердість та висока температура плавлення алмазу свідчать про немолекулярну природу цієї речовини. Кристалічні грати алмазу - атомні.

Завдання для самостійної роботи

50. До речовин з молекулярною будовою відносяться

2) оксид вуглецю(II)

4) оксид кремнію(IV)

5) оксид заліза(III)

51. Речовинами молекулярної будови є

3) З 3 Н 7 ВІН

52. Іонні кристалічні грати мають

2) оцтова кислота

3) кухонна сіль

5) сахароза

53. Молекулярну будову мають

54.

3) оксид водню

4) оксид калію

5) оксид кремнію

55. Молекулярну будову мають

2) оксид алюмінію

3) білий фосфор

5) бромід калію

56. Молекулярну будову мають

1) кухонна сіль

2) кремнезем

3) гліцерин

5) мідний купорос

57. Молекулярну будову мають

58. Немолекулярну будову мають

59. Іонні кристалічні грати мають

2) хлорид цезію

3) хлорид фосфору(III)

4) оксид вуглецю(II)

5) оксид натрію

60. Кристалічні грати сульфату натрію

2) молекулярна

3) металева

4) атомна

61. Графіт має кристалічні грати

Електронегативністю називається властивість хімічного елемента притягати до свого атома електрони від інших атомів елементів, з якими даний елемент утворює хімічний зв'язок у сполуках.

При утворенні хімічного зв'язку між атомами різних елементів загальна електронна хмара зміщується до більш електронегативного атома, через що зв'язок стає ковалентно-полярним, а за великої різниці електронегативностей – іонним.

Електронегативність враховується під час написання хімічних формул: у бінарних з'єднаннях ззаду записується символ найбільш електронегативного елемента.

Електронегативність зростає в напрямку зліва направо для елементів кожного періоду і зменшується в напрямку зверху вниз для елементів однієї групи ПС.

Валентністюелемента називається властивість його атомів поєднуватися з певним числом інших атомів.

Розрізняють стехіометричну, електронну валентність та координаційне число. Ми розглянемо лише стехіометричну валентність.

Стехіометричнавалентність показує, скільки атомів іншого елемента приєднує атом цього елемента. За одиницю валентності прийнято валентність водню, т.к. водень завжди одновалентний. Наприклад, у сполуках HCl, H 2 O, NH 3 (правильне написання аміаку Н 3 N вже використовується в сучасних посібниках), СН 4 хлор одновалентний, кисень двовалентний, азот тривалентний і вуглець чотиривалентний.

Стехіометрична валентність кисню зазвичай дорівнює 2. Так як майже всі елементи утворюють сполуки з киснем, то зручно його використовувати як зразок для визначення валентності іншого елемента. Наприклад, у сполуках Na 2 O, CoO, Fe 2 O 3 , SO 3 натрій одновалентний, кобальт двовалентний, залізо тривалентне, сірка шестивалентна.

В окислювально-відновних реакціях нам важливо визначатиме ступеня окислення елементів.

Ступенем окисленняелемента в речовині називається його стехіометрична валентність, взята зі знаком плюс чи мінус.

Хімічні елементи поділяються на елементи постійної валентності та елементи змінної валентності.

1.3.3. Речовини молекулярної та немолекулярної будови. Тип кристалічних ґрат. Залежність властивостей речовин від їх складу та будови.

Залежно від цього, якому стані сполуки перебувають у природі, вони поділяються на молекулярні і немолекулярные. У молекулярних речовин найдрібнішими структурними частинками є молекули. Ці речовини мають молекулярну кристалічну решітку. У немолекулярних речовин найдрібнішими структурними частинками є атоми чи іони. Кристалічні грати у них атомні, іонні або металеві.

Тип кристалічних ґрат багато в чому визначає властивості речовин. Наприклад, метали, що мають металевий тип кристалічних ґрат, відрізняються від решти елементів високою пластичністю, електро- та теплопровідністю. Ці властивості, а також багато інших - ковкість, металевий блиск і т.п. обумовлені особливим видом зв'язку між атомами металу - металевим зв'язком.Слід зазначити, що властивості, властиві металам, виявляються лише у конденсованому стані. Наприклад, срібло в газоподібному стані не має фізичних властивостей металів.

Особливий тип зв'язку в металах – металева – зумовлений дефіцитом валентних електронів, тому вони є спільними для всієї структури металу. Найбільш проста модель будови металів передбачала, що кристалічна решітка металів складається з позитивних іонів, оточених вільними електронами, рух електронів відбувається хаотично, подібно до молекул газу. Однак така модель, якісно пояснюючи багато властивостей металів, при кількісній перевірці виявляється недостатньою. Подальша розробка теорії металевого стану призвела до створення зонної теорії металів, що ґрунтується на уявленнях квантової механіки.

У вузлах кристалічної решітки знаходяться катіони та атоми металу, а електрони вільно переміщаються кристалічною решіткою .

Характерною механічною властивістю металів є пластичністьобумовлена ​​особливостями внутрішньої будови їх кристалів Під пластичністю розуміють здатність тіл під впливом зовнішніх сил піддаватися деформації, що залишається і після припинення зовнішнього впливу. Ця властивість металів дозволяє надавати їм різну форму при куванні, прокочувати метал у листи або витягувати у дріт.

Пластичність металів обумовлена ​​тим, що при зовнішній дії шари іонів, що утворюють кристалічну решітку, зсуваються відносно один одного без розриву. Це відбувається в результаті того, що електрони, що перемістилися, завдяки вільному перерозподілу продовжують здійснювати зв'язок між іонними шарами. При механічному впливі на тверду речовину з атомними гратами зміщуються окремі її шари і зчеплення між ними порушується через розрив ковалентних зв'язків.

іони, то ці речовини утворюють іонний тип кристалічних ґрат.

Це солі, а також оксиди та гідроксиди типових металів. Це тверді, тендітні речовини, але основна їх якість : розчини та розплави цих сполук проводять електричний струм..

Якщо у вузлах кристалічних ґрат знаходяться атоми, то ці речовини утворюють атомний тип кристалічних ґрат(Діамант, бір, кремній оксиди алюмінію та кремнію). За властивостями дуже тверді та тугоплавкі, нерозчинні у воді.

Якщо у вузлах кристалічних ґрат знаходяться молекулиці речовини утворюють (за звичайних умов гази і рідини: Про 2 , HCl; I 2 органічні речовини).

Цікаво відзначити метал галій, який плавиться при температурі 30 про С. Ця його аномалія пояснюється тим, що у вузлах кристалічної решітки знаходяться молекули Ga 2 і його властивості в чому схожі з речовинами, що мають молекулярну кристалічну решітку.

приклад.Немолекулярну будову мають усі неметали групи:

1) вуглець, бор, кремній; 2) фтор, бром, йод;

3) кисень, сірка, азот; 4) хлор, фосфор, селен.

У немолекулярних речовин найдрібнішими структурними частинками є атоми чи іони. Кристалічні грати у них атомні, іонні або металеві

При рішенніцього питання простіше йти від протилежного. Якщо у вузлах кристалічних ґрат знаходяться молекули, то ці речовини утворюють молекулярний тип кристалічних ґрат(за звичайних умов гази та рідини: Про 2 , HCl; також I 2, ромбічна сірка S 8 , білий фосфор Р 4 органічні речовини). За властивостями це неміцні легкоплавкі сполуки.

У другій відповіді є газ фтор, у третій – гази кисень, азот, у четвертій – газ хлор. Значить, ці речовини мають молекулярну кристалічну решітку та молекулярну будову.

У першимвідповіді всі речовини – тверді сполуки за звичайних умов і утворюють атомні ґрати, отже, мають немолекулярну будову.

Правильну відповідь:1) вуглець, бір, кремній