Словно компоненты конструктора, атомы соединяются между собой. И как бы, Вы не старались, но с единичным блоком можно соединить, только один блок. Деталь на 4 ячейки, может удержать не больше четырёх. Этот принцип сохраняется и в химии. За количество свободных ячеек отвечает валентность атомов элементов.
Результатом взаимодействия атомов является получение веществ. Виды химической связи атомов зависят от природы составляющих элементов.
Металлы отличаются малым количеством электронов на внешнем уровне сравнительно с неметаллами более низким значением электроотрицательности. Теперь наша задача вспомнить, как происходит изменение ЭО в таблице Менделеева или воспользоваться таблицей «Относительная электроотрицательность». Чем активнее неметалл, тем она выше и это говорит о том, что этот элемент, при образовании связи, будет забирать электроны.
Веществ насчитывается миллионы. Это могут быть простые вещества: металлы железо Fe, золото Au, ртуть Hg; неметаллы сера S, фосфор Р, азот N 2 . Так и сложные вещества: H 2 S, Ca 3 (PO 4) 2 , (C 6 H 10 O 5) n , молекулы белков и т.д.Комбинация элементов, входящих в состав веществ, определяет какие типы связей будут существовать между ними.
Ковалентная связь
Неметаллы из числа всех элементов находятся в меньшинстве. Но имея некоторые особенности в строении и способности иметь переменную валентность, число соединений, построенных этими элементами внушительное.
Чтобы иметь представление, по которому атомы соединяются, начнём с молекулы водорода Н 2 .
Давайте дадим волю фантазии, представим то, что нельзя увидеть. Допустим, что мы взяли в руки две одинаковые детали, имеющие такой вид:
Существует одна только комбинация их соединения, и между ними будет одно общее звено. Переместимся с нашего воображения к молекулам. Представим, что перед нами, два атома водорода и наша задача их соединить в молекулу. Покрутите мысленно детали, чтобы они объединились, необходимо их поставить друг на друга, связав их в определённом месте. Точки рядом означают, сколько электронов, располагающихся на наружном слое.
Источник
Атомы водорода, как детали, соединились одной связью, поэтому валентность в данном случае каждого из них будет равна I. Но степень окисления будет равна 0, так как вещество образовано элементом с одинаковым значением электроотрицательности.
Рассмотрим, как образуется молекула самого распространённого газа на нашей планете - азота N 2 .
Азот, имеет 3 неспаренных электрона. Это как взять две детали вида и соединить их.
Таким образом, азот трёхвалентен, а степень
окисления по-прежнему остаётся равна 0. За счёт общей электронной пары азот завершает внешний слой 2s 2 2p 6 .
Ковалентная связь в молекуле, состоящей из одного типа атомов, а именно неметаллов, носит название неполярная.
Во время построения молекулы, количество электронов стремится к завершению. Рассмотрим как образуется молекула О 2 . Каждому атому не хватает 2 электронов и они эту недостачу компенсируют общей электронной парой.
Также обращаем внимание, что степень окисления 0, ибо атомы равноправные партнёры, и их валентность равна II.
Ковалентная химическая связь образованная разными неметаллами называется полярная.
Возьмём два неметаллических элемента Водород и Хлор. Укажем электронные формулы внешнего слоя.
Проанализировав значения, Э(Н) < Э(Cl), приходим к выводу, чтобы принять конфигурацию благородного газа, хлор будет притягивать на себя единственный электрон водорода.
Схема ковалентной связи, образованной разными элементами, записывается в таком виде.
Столь важно отметить, что в этой ситуации Cl и Н не будут равноправными партнёрами, поскольку общая плотность электронов сосредоточена у Cl. Водород в неравном бою, уступает 1 электрон хлору, у которого в наличии их целых 7. Водород приобретает положительный заряд, хлор - отрицательный. Валентности Н и Cl равны I.В то время степени окисления будут Н + Cl − .
Такой вид образования соединений происходит по обменному механизму. Это значит, чтобы получить завершённую конфигурацию более электроотрицательные принимают электроны, менее - отдают, но при этом существует общая электронная пара.
Неметаллы образуют не только бинарные соединения, а возможно в состав будет входить три и более элемента. К примеру, молекула угольной кислоты H 2 СO 3 состоит с 3 элементов. Как они между собой соединяться. Электроотрицательность возрастает в ряду ЭО (Н) <ЭО (С) <ЭО(O). Определим степени окисления каждого элемента. Н + 2 С +4 О −2 3 . Это означает, что кислород будет притягивать на себя электроны углерода и водорода. Схематически это можно записать в следующем виде.
Чтобы построить структурную формулу, в центре записываем углерод. У него неспаренных 4 электрона. Поскольку атомов кислорода в количестве 3, каждый из них может принять 2 электрона. То путём не хитрых вычислений, видим что 4 электрона придёт от С и по одному от каждого Н. проверяем наш расчёт, учитывая нейтральность молекулы, считаем положительные и отрицательные заряды.
Н 2 + С +4 О 3 −2 (+1 ∙ 2) + (+4 ∙ 1) + (-2 ∙ 3) = 0
Существует ещё один механизм ковалентной связи, под названием донорно-акцепторный.
Чтобы понять этот принцип, опишем образование молекулы, имеющей не совсем приятный резкий, удушающий запах, аммиак NH 3 .
Из 5 электронов, находящиеся в распоряжении атома N, связываются только 3. Валентность атома N приобретает значение III. При этом степень окисления N −3 (оттянув на себя 3 электрона от каждого атома Н, становится отрицательным), водород, наоборот совершив «благородный поступок», отдав электрон, приобретает положительный заряд Н + . Два электрона никак не задействованы, они выделены красным цветом. Они способны поселиться в свободной ячейке иона Н + . Это место займут электроны азота, которые обозначены красным цветом. Образуется катион аммония по донорно-акцепторному механизму.
Незадействованные до этого «красные» электроны N «заселяются» в пустой s-орбитали, принадлежащей катиону водорода. Ион аммония имеет 3 связи, которые происходят по обменному механизму, а также одну, по донорно-акцепторному. Именно поэтому NH 3 легко взаимодействует с кислотами и водой.
Ионная связь
Ионная химическая связь является пограничной ковалентной полярной. Отличаются тем, что для веществ, в которых локализуется ковалентная связь, характерно существование совместной электронной пары, тогда как для ионной связи свойственна полная отдача электронов. Следствием отдачи является образование заряженных частиц - ионов.
Определить тип связи помогут вычисления. Если разность значений электроотрицательностей больше 1,7, то для вещества характерна ионная связь. Если значение меньше 1,7, то свойственная полярная связь. Рассмотрим два вещества NaCl и СаС 2 . Оба они образованы металлом (Na и Са) и неметаллом (Clи С). Однако в одном случае связь будет ионная, во втором - ковалентная полярная.
Постулат физики гласит, что противоположности притягиваются. Т.е. положительные ионы притягивают отрицательные и наоборот.
Допустим, что необходимо получить вещество с атомов калия и фтора. Каждый атом стремится заполучить конфигурацию благородного газа. Достигнуть этого возможно двумя способами отдав или приняв электроны, образуя при этом ионы с желаемой конфигурацией.
Атому калия гораздо проще отдать 1 электрон, чем забрать у фтора 7. Принимая 1 электрон, F имеет завершённый уровень.
Аналогично калий, который с лёгкостью отдал свой электрон, его катион принял электронную формулу аргона.
Кальций двухвалентный металл, то для взаимодействия необходимо два атома фтора, поскольку он способен принять только один электрон. Схема образования ионной связи имеет вид.
Данный вид связи локализуется во всех солях, между металлом и кислотным остатком. В выше приведённом примере для угольной кислоты, кислотным остатком будет СО 3 2− , если вместо водорода поставить атомы натрия, то схема образования связи имеет вид.
Следует отметить, что ионная связь будет существовать между Naи О, а между С и О ковалентная полярная.
Металлическая связь
Металлы существуют в разных цветах: чёрные (железо), красные (медь), жёлтые (золото), серые (серебро), плавятся при разных температурах. Однако их всех объединяет наличие блеска, твёрдости, электропроводимости.
Металлическая связь имеет черты сходства с ковалентной неполярной. Металлы бедны электронами на внешнем уровне, поэтому при образовании связи, они не способны притягивать на себя их, для них свойственна отдача. Так как атомный радиус в металлах большой, это даёт возможность легко оторваться электронам, образовав катионы.
Me 0 - ne = Me n+
Электроны постоянно перемещаются от атома к иону и наоборот. Сами катионы можно сравнить с айсбергами, окружёнными отрицательными частицами.
Схема металлической связи
Водородная связь
Элементы-неметаллы II периода (N, O, F) обладают высоким значением электроотрицательности. Это влияет на способность образования водородной связи между поляризованным Н + одной молекулы и анионом N 3- , O -2 , F - . Водородная связь способна объединить две разные молекулы. К примеру, если взять две молекулы воды, то они соединяются между собой за счёт атомов Н и О.
Водородная химическая связь изображена …… пунктиром. Соединяясь между собою молекулы, играют и находят важную роль в живых организмах. С помощью водородной связи строится вторичная структура молекулы ДНК.
Типы кристаллических решёток
Чтобы получить вещество, а не просто набор молекул, необходимо частицы «запаковать» в своеобразный каркас - кристаллическую решётку.
Представьте перед собой геометрическую фигуру - куб, в вершинах будут находиться частицы, условно соединённые между собою.
Существует прямая зависимость между строением атома и типом кристаллической решётки.
Обратите внимание, что соединения с ковалентной неполярной связью образованные частицами-молекулами, которые запакованы в молекулярную кристаллическую решётку. Чаще всего это будут соединения по температурному режиму низкокипящие и летучие. Это известные вам вещества как кислород О 2 , хлор Cl 2 , бром Br 2 .
Ковалентная полярная химическая связь также характерна для молекулярных соединений. Сюда входят как органические: сахароза, спирты, метан так и неорганические соединения: кислоты, аммиак, оксиды неметаллов. Существование их бывает как в жидком (Н 2 О), твёрдом (сера) так и газообразном виде (СО 2).
В узлах атомной кристаллической решётки находятся отдельные атомы, между которыми существует ковалентная неполярная связь. Атомная кристаллическая решётка свойственна алмазу. На данный момент это самое твёрдое вещество. Данный тип связи характерен для вещества, покрывающего значительную часть нашей планеты, это -SiO 2 (песок) и карборунд SiC, имеющий похожие свойства с алмазом.
Ионная связь между атомами образует кристаллическую решётку, в узлах которой будут находиться катионы и анионы. Это строение объединяет между собой целый класс неорганических соединений солей, состоящих с катионов металлов и анионов кислотного остатка. Характерными особенностями этих веществ будут высокие температуры, при которых они плавятся и кипят.
Металлическая связь имеет металлическую кристаллическую решётку. В её строении можно провести параллель с ионной решёткой. В узлах будут размещаться атомы и ионы, а между ними электронный газ, состоящий из мигрирующих электронов от атома к электрону.
Обобщая данные сведения, можем сделать вывод, зная состав и строение, можем прогнозировать свойства и наоборот.
На изучение данной темы я отвожу 6 часов. Если на предыдущих этапах изучения химии учащиеся знакомились с многообразием веществ и установлением взаимосвязи между строением, составом и свойствами вещества, то при изучении данной темы в 11 классе они узнают о новой возможности атомов образовывать химические связи определенной направленности в пространстве. Уроки по данной теме я планирую следующим образом:
- Виды химической связи, типы кристаллических решеток, свойства веществ (КОО по методике «Взаимообмен знаниями») – 2 урока.
- Свойства химической связи (длина и энергия).
- Свойства химической связи (направленность и насыщаемость).
- Урок-семинар «Систематизация знаний о видах химической связи, типах кристаллических pешеток и свойствах неорганических и органических веществ» - 2 урока.
Цель уроков: Обобщить, систематизировать знания по теме; создать на уроке атмосферу поиска и сотрудничества, дать каждому ученику возможность достичь успеха.
Образовательные задачи:
- Проконтролировать степень усвоения основных ЗУН по теме:
- Сформулировать понятия химической связи, видов химической связи, свойств химической связи, типов кристаллических решеток.
- Познакомить с видами химической связи.
- Привлечь внимание учащихся к взаимосвязи между строением, составом и свойствами вещества.
- Продолжить формирование общеучебных умений (осуществлять самоконтроль; сотрудничать; использовать компьютер, ноутбук, интерактивную доску).
- Продолжить формирование навыков самостоятельной работы учащихся с учебником, дополнительной литературой, сайтами Интернета.
Воспитательные задачи:
- Продолжить развитие познавательных интересов учащихся;
- Воспитывать культуру речи, трудолюбие, усидчивость;
- Продолжить формирование ответственного, творческого отношения к труду;
Развивающие задачи:
- Развивать умение использовать химическую терминологию
- Развивать мыслительные операции (анализ, синтез, установление причинно-следственных связей, выдвижение гипотезы, классификация, проведение аналогий, обобщение, умение доказывать, выделение главного);
- Развивать интересы, способности личности;
- Развивать умение проводить, наблюдать и описывать химический эксперимент;
- Совершенствовать коммуникативные умения учащихся в совместной деятельности (умение вести диалог, выслушивать оппонента, аргументировано обосновывать свою точку зрения) и информационно - познавательную компетентность учащихся.
Предварительная подготовка:
- Постановка проблемы;
- Прогнозирование практических результатов работы;
- Организация самостоятельной (индивидуальной, парной, групповой) деятельности учащихся на уроке и во внеурочное время;
- Структурирование содержательной части исследовательской работы (с указанием поэтапных результатов и указанием ролей);
- Исследовательская работа в малых группах (обсуждение, поиск источников информации);
- Создание слайдовой презентации;
- Защита исследовательской работы на уроке - семинаре.
Оборудование:
- Перечень: «Термины и их разъяснения».
- Таблица №1 «Химическая связь. Строение вещества.» - высвечивается на доске и дается на каждый стол.
- На демонстрационном столе: образцы различных веществ.
- Компьютеры, медиопроектор.
Уроки №1-2.
Виды химической связи, типы кристаллических решеток, свойства веществ (КОО по методике «Взаимообмен знаниями»).
Ход урока
Во вступительном слове обосновывается необходимость изучения данной темы, напоминается алгоритм работы по методике «Взаимообмен знаниями» в системе КСО, учащиеся делятся на 4 группы, каждая группа получает свое задание на карточках, работает с электронными учебниками.
Карточка 1.
Тема: Ковалентная неполярная связь. Свойства веществ с ковалентной неполярной связью. Молекулярная и атомная кристаллические решетки.
- Признаки ковалентной неполярной связи:
– ковалентную неполярную связь образуют атомы неметаллов с одинаковой электроотрицательностью.
механизм образования связи: каждый атом неметалла отдает в общее пользование другому атому свои наружные неспаренные электроны: общая электронная плотность в равной мере принадлежит обоим атомам. - Примеры образования ковалентной неполярной связи: водород, фтор, кислород, азот.
- Свойства веществ с ковалентной неполярной связью:
- При обычных условиях вещества газообразные (водород, кислород), жидкие (бром), твердые (иод, фосфор).
- Большинство веществ сильнолетучие, т.е. имеют очень низкие температуры плавления и кипения.
- Растворы и расплавы веществ электрического тока не проводят. Почему?
Если в молекулах простых веществ ковалентная неполярная связь, то между молекулами действуют очень слабые межмолекулярные силы. Это приводит к образованию сильнолетучих веществ с молекулярной кристаллической решеткой. В твердом виде в узлах кристаллической решетки вещества находятся неполярные молекулы, электроны, осуществляющие ковалентную неполярную связь, по кристаллу не перемещаются. Такое строение является причиной общих свойств: вещества с молекулярной кристаллической решеткой электрического тока не проводят.
Рассмотрим образование химической связи в алмазе (см. модель кристаллической решетки алмаза). Алмаз самое твердое и тугоплавкое вещество. Следовательно, в узлах кристаллической решетки алмаза находятся не молекулы, а атомы углерода, связанные посредством ковалентной неполярной связи. Кристаллы алмаза имеют атомную кристаллическую решетку.
Кристаллы с атомной кристаллической решеткой образуют также кремний, германий, бор.
II. Рассмотрите на рисунке или моделях кристаллические решетки иода и алмаза.
III. Познакомьтесь с образцами веществ, имеющих ковалентную неполярную связь.
- Какие элементы образуют ковалентную неполярную связь?
- Каков механизм образования ковалентной неполярной связи?
- Какими свойствами обладают вещества с молекулярными кристаллическими решетками? Почему?
- Какими свойствами обладают вещества с атомными кристаллическими решетками? Почему?
- Составьте химические формулы веществ: азота, хлорида натрия, бромоводорода, хлора, сероводорода, фторида калия. В молекулах каких из этих веществ имеется ковалентная неполярная связь? Изобразите электронную и структурные формулы молекул этих веществ.
Карточка 2.
Тема: Ковалентная полярная связь. Свойства веществ с ковалентной полярной связью. Молекулярная и атомная кристаллические решетки.
I. Изучите и объясните партнеру:
- Признаки ковалентной полярной связи:
характер химических элементов – ковалентную полярную связь образуют атомы неметаллов с разной электроотрицательностью.
механизм образования связи: каждый атом неметалла отдает в общее пользование другому атому свои наружние неспаренные электроны: общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому. - Примеры образования ковалентной неполярной связи: вода, аммиак, хлороводород.
- Свойства веществ с ковалентной полярной связью:
- При обычных условиях вещества газообразные, жидкие, твердые.
- Большинство веществ имеют относительно низкие температуры плавления и кипения.
- Почему?
Если в молекулах простых веществ ковалентная полярная связь, то молекулы притягиваются друг к другу своими противоположно заряженными полюсами, но с меньшей силой, чем ионы. Это приводит к образованию молекулярной кристаллической решетки, в узлах которой находятся полярные молекулы. Поскольку межмолекулярные силы не велики (по сравнению с силами между ионами), то вещества с молекулярной кристаллической решеткой летучи, т.е. имеют довольно низкие температуры плавления и кипения.
II. Рассмотрите на рисунке или моделях кристаллическую решетку твердой воды, объясните партнеру ее строение.
III. Познакомьтесь с образцами веществ, имеющих ковалентную полярную связь, предскажите их физические свойства, сверьте свои предположения со справочным материалом.
Вопросы и задания для самоконтроля.
- Какие элементы образуют ковалентную полярную связь?
- Каков механизм образования ковалентной полярной связи?
- Какими свойствами обладают вещества с ковалентными полярными связями. Почему?
- Какие вещества, образцы которых выставлены на столе, имеют ковалентную полярную связь?
- Карборунд (карбид кремния SiC) –один из самых твердых и термостойких минералов. Его используют как огнеупорный и абразивный материал. Какой вид химической связи и тип кристаллической решетки в этом веществе? Изобразите схематически фрагмент кристаллической решетки карборунда.
Карточка 3.
Тема: Ионная связь. Свойства веществ с ионной связью. Ионная кристаллические решетки.
I. Изучите и объясните партнеру:
- Признаки ионной связи:
характер химических элементов –ионную связь образуют атомы типичных металлов и атомы типичных неметаллов, резко отличающиеся друг от друга по электроотрицательности.
механизм образования связи: атом металла отдает наружные электроны, превращаясь в катионы; атомы неметаллов присоединяют электроны, превращаясь в анионы. Образовавшиеся ионы взаимодействуют электростатически. - Примеры образования ионной связи: хлорид натрия, фторид кальция.
- Свойства веществ с ионной связью:
- При обычных условиях вещества твердые.
- Большинство веществ имеют высокие температуры плавления и кипения.
- Растворы многих веществ проводят электрический ток. Почему?
Если связь ионная, то в узлах кристаллической решетки находятся противоположно заряженные ионы, между которыми во всех направлениях действуют значительные электростатические силы. Они обуславливают образование твердых, нелетучих веществ, имеющих ионную кристаллическую решетку.
II. Рассмотрите на рисунке и моделях кристаллическую решетку хлорида натрия, объясните партнеру ее строение. Чем обусловлена ее прочность?
III. Познакомьтесь с образцами веществ, имеющих ионную связь, найдите в справочнике температуры плавления этих веществ и обсудите с партнерами их значение.
Вопросы и задания для самоконтроля.
- Какие элементы образуют ионную связь?
- Каков механизм образования ионной связи?
- Какими свойствами обладают вещества с ионной связью? Почему?
- Какие вещества, образцы которых выставлены на столе, имеют ионную связь? Каково их агрегатное состояние?
- Соединения NaCl, AlP, MgS кристаллизуются в кристаллические решетки с почти одинаковыми расстояниями между катионами и анионами. Какое из этих соединений имеет самую высокую температуру плавления? Почему?
Карточка 4.
Тема: Металлическая связь. Свойства веществ с металлической связью. Металлическая кристаллическая решетка.
I. Изучите и объясните партнеру:
- Признаки металлической связи:
характер химических элементов – металлическую связь образуют атомы металлов. механизм образования связи: атом металла отдает наружные электроны, превращаясь в катионы; ионы металлов не в состоянии связать электроны из-за огромной скорости их движения. Поэтому электроны, движущиеся в металле, являются общими для всех ионов металлов. Металлическая связь, следовательно, осуществляется при помощи металлов и общих для них электронов, т. е. за счет электростатических сил. - Свойства веществ с металлической связью:
- высокая, электрическая проводимость, уменьшается с повышением температуры металла.
- высокая теплопроводность;
- пластичность, ковкость;
- характерный «металлический» блеск;
- широкие пределы изменения плотности, прочности, твердости, температуры плавления.
- Почему?
Кристаллическая решетка, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы металла, связываемые относительно свободными электронами, движущимися по всему объему кристалла, называется металлической.
Для металлов характерны кристаллические решетки с плотной упаковкой ионов в узлах. Прочность металлической связи и плотность упаковки обуславливают прочность, твердость, относительно высокие температуры плавления.
То, что металлы хорошо проводят электрический ток, объясняется присутствием в них свободных электронов. С повышением температуры усиливаются колебания ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки металла, что затрудняет напраленное движение электронов и тем самым приводит к уменьшению электрической проводимости металла.
Теплопроводность металлов обуславливается как высокой подвижностью свободных электронов, так и колебательным движением ионов.
Кристаллы с металлической связью пластичны; в этом случаи при деформации кристалла возможно смещение ионов без нарушения связи.
«Блуждающие» электроны в металле – причина «металлического блеска».
II. Рассмотрите на рисунке и моделях кристаллические решетки металлов. Объясните партнеру взаимосвязь между строением кристаллов и физическими свойствами металлов.
III. Познакомьтесь с образцами металлов и сплавов. Расскажите партнеру о применении некоторых из них в быту.
Вопросы и задания для самоконтроля.
- Что такое металлическая связь? Для каких веществ она характерна?
- Что такое металлическая кристаллическая решетка?
- Какими физическими свойствами обладают металлы и сплавы?
- Объясните на основе представлений о сущности металлической связи таие физические свойства металлов, как:
а) высокая, электрическая проводимость, уменьшается с повышением температуры металла.
б) высокая теплопроводность;
в) пластичность, ковкость;
г) характерный «металлический» блеск;
После того, как учащиеся отработали содержание всех карточек, заслушивается сообщение и проводится фронтальная беседа.
Вопросы для фронтальной беседы:
- Что такое химическая связь? Какова ее природа?
- По каким признакам характеризуются различные виды химической связи?
- Пользуясь учебником (схема 3 стр. 23), назовите признаки всех указанных видов химической связи.
- Пользуясь учебником (схема 4 стр. 34), назовите частицы, находящиеся в узлах кристаллических решеток.
- Какую кристаллическую решетку имеет вещество, обладающее следующими свойствами: очень твердое, тугоплавкое, нерастворимое в воде, но проводящее электрический ток в расплавленном виде? К какому классу может принадлежать это вещество?
- Почему пластинки из кремния при сильном ударе разлетаются на куски, а из олова или свинца только деформируются?.В каком случае происходит разрушение химической связи?
В конце урока поясняется домашнее задание:
- Повторить по учебнику 10 класса понятие водородной связи.
- Подготовить презентации по видам химической связи к уроку семинару.
На 3 и 4 уроках учащиеся знакомятся со свойствами химической связи: длиной, энергией, направленностью, насыщаемостью, обобщают знания по водородной связи.
Урок №5-6. Урок-семинар
План урока-семинара.
- Вступительное слово учителя.
- Сообщения групп учащихся по видам связи – учащиеся используют подготовленные презентации, демонстрационный материал. Приложение №1.
- Подведение итогов обобщается в виде таблицы(в электронном виде) по мере выступления групп.
- Диагностика по видам ХС (15 минут).
| Признаки сравнения | Вид химической связи | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| ионная | ковалентная | металлическая | водородная | ||
| полярная | неполярная | ||||
| 1. Природа химических элементов | |||||
| 2. Способ образования химической связи | |||||
| 3. Механизм образования связи(схема) | |||||
| 4. Структурные элементы кристаллической решетки | |||||
| 5. Тип кристаллической решетки | |||||
| 6. Физические свойства веществ | |||||
| 7. Примеры веществ | |||||
Используемая литература:
- Габриелян О.С. Химия 11 класс. – М. Дрофа 2005.
- Лагунова Л.И. Преподавание обобщающего курса химии в средней школе. – Тверь, 1992г.
- Политова С.И. Общая Химия. Опорные конспекты. 11 класс. – Тверь, 2006г.
- http://festival.1september.ru
Атомы большинства элементов не существуют отдельно, так как могут взаимодействовать между собой. При этом взаимодействии образуются более сложные частицы.
Природа химической связи состоит в действии электростатических сил, которые являются силами взаимодействия между электрическими зарядами. Такие заряды имеют электроны и ядра атомов.
Электроны, расположенные на внешних электронных уровнях (валентные электроны) находясь дальше всех от ядра, слабее всего с ним взаимодействуют, а значит способны отрываться от ядра. Именно они отвечают за связывание атомов друг с другом.
Типы взаимодействия в химии
Типы химической связи можно представить в виде следующей таблицы:
Характеристика ионной связи
Химическое взаимодействие, которое образуется из-за притяжения ионов
, имеющих разные заряды, называется ионным. Такое происходит, если связываемые атомы имеют существенную разницу в электроотрицательности (то есть способности притягивать электроны) и электронная пара переходит к более электроотрицательному элементу. Результатом такого перехода электронов от одного атома к другому является образование заряженных частиц - ионов. Между ними и возникает притяжение.
Наименьшими показателями электроотрицательности обладают типичные металлы , а наибольшими - типичные неметаллы. Ионы, таким образом, образуются при взаимодействии между типичными металлами и типичными неметаллами.
Атомы металла становятся положительно заряженными ионами (катионами), отдавая электроны внешних электронных уровней, а неметаллы принимают электроны, превращаясь таким образом в отрицательно заряженные ионы (анионы).
Атомы переходят в более устойчивое энергетическое состояние, завершая свои электронные конфигурации.
Ионная связь ненаправленная и не насыщаемая, так как электростатическое взаимодействие происходит во все стороны, соответственно ион может притягивать ионы противоположного знака во всех направлениях.
Расположение ионов таково, что вокруг каждого находится определённое число противоположно заряженных ионов. Понятие «молекула» для ионных соединений смысла не имеет .
Примеры образования
Образование связи в хлориде натрия (nacl) обусловлено передачей электрона от атома Na к атому Cl с образованием соответствующих ионов:
Na 0 - 1 е = Na + (катион)
Cl 0 + 1 е = Cl — (анион)
В хлориде натрия вокруг катионов натрия расположено шесть анионов хлора, а вокруг каждого иона хлора — шесть ионов натрия.
При образовании взаимодействия между атомами в сульфиде бария происходят следующие процессы:
Ba 0 - 2 е = Ba 2+
S 0 + 2 е = S 2-
Ва отдаёт свои два электрона сере в результате чего образуются анионы серы S 2- и катионы бария Ba 2+ .
Металлическая химическая связь
Число электронов внешних энергетических уровней металлов невелико, они легко отрываются от ядра. В результате такого отрыва образуются ионы металла и свободные электроны. Эти электроны называются «электронным газом». Электроны свободно перемещаются по объёму металла и постоянно связываются и отрываются от атомов.
Строение вещества металла таково: кристаллическая решётка является остовом вещества, а между её узлами электроны могут свободно перемещаться.
Можно привести следующие примеры:
Mg - 2е <-> Mg 2+
Cs - e <-> Cs +
Ca - 2e <-> Ca 2+
Fe - 3e <-> Fe 3+
Ковалентная: полярная и неполярная
Наиболее распространённым видом химического взаимодействия является ковалентная связь. Значения электроотрицательности элементов, вступающих во взаимодействие, отличаются не резко, в связи с этим происходит только смещение общей электронной пары к более электроотрицательному атому.
Ковалентное взаимодействие может образовываться по обменному механизму или по донорно-акцепторному.
Обменный механизм реализуется, если у каждого из атомов есть неспаренные электроны на внешних электронных уровнях и перекрывание атомных орбиталей приводит к возникновению пары электронов, принадлежащей уже обоим атомам. Когда же у одного из атомов есть пара электронов на внешнем электронном уровне, а у другого — свободная орбиталь, то при перекрывании атомных орбиталей происходит обобществление электронной пары и взаимодействие по донорно-акцепторному механизму.
Ковалентные разделяются по кратности на:
- простые или одинарные;
- двойные;
- тройные.
Двойные обеспечивают обобществление сразу двух пар электронов, а тройные — трёх.
По распределению электронной плотности (полярности) между связываемыми атомами ковалентная связь делится на:
- неполярную;
- полярную.
Неполярную связь образуют одинаковые атомы, а полярную - разные по электроотрицательности.
Взаимодействие близких по электроотрицательности атомов называют неполярной связью. Общая пара электронов в такой молекуле не притянута ни к одному из атомов, а принадлежит в равной мере обоим.
Взаимодействие различающихся по электроотрицательности элементов приводит к образованию полярных связей. Общие электронные пары при таком типе взаимодействия притягиваются более электроотрицательным элементом, но полностью к нему не переходят (то есть образования ионов не происходит). В результате такого смещения электронной плотности на атомах появляются частичные заряды: на более электроотрицательном — отрицательный заряд, а на менее — положительный.
Свойства и характеристика ковалентности
Основные характеристики ковалентной связи:
- Длина определяется расстоянием между ядрами взаимодействующих атомов.
- Полярность определяется смещением электронного облака к одному из атомов.
- Направленность - свойство образовывать ориентированные в пространстве связи и, соответственно, молекулы, имеющие определённые геометрические формы.
- Насыщаемость определяется способностью образовывать ограниченное число связей.
- Поляризуемость определяется способностью изменять полярность под действием внешнего электрического поля.
- Энергия необходимая для разрушения связи, определяющая её прочность.
Примером ковалентного неполярного взаимодействия могут быть молекулы водорода (H2) , хлора (Cl2), кислорода (O2), азота (N2) и многие другие.
H· + ·H → H-H молекула имеет одинарную неполярную связь,
O: + :O → O=O молекула имеет двойную неполярную,
Ṅ: + Ṅ: → N≡N молекула имеет тройную неполярную.
В качестве примеров ковалентной связи химических элементов можно привести молекулы углекислого (CO2) и угарного (CO) газа, сероводорода (H2S), соляной кислоты (HCL), воды (H2O), метана (CH4) , оксида серы (SO2) и многих других.
В молекуле CO2 взаимосвязь между углеродом и атомами кислорода ковалентная полярная, так как более электроотрицательный водород притягивает к себе электронную плотность. Кислород имеет два неспаренных электрона на внешнем уровне, а углерод может предоставить для образования взаимодействия четыре валентных электрона. В результате образуются двойные связи и молекула выглядит так: O=C=O.
Для того чтобы определиться с типом связи в той или иной молекуле, достаточно рассмотреть составляющие её атомы. Простые вещества металлы образуют металлическую, металлы с неметаллами — ионную, простые вещества неметаллы — ковалентную неполярную, а молекулы, состоящие из разных неметаллов, образуются посредством ковалентной полярной связью.
Химическая связь
В природе не существуют одиночные атомы. Все они находятся в составе простых и сложных соединений, где их объединение в молекулы обеспечивается образованием химических связей друг с другом.
Образование химических связей между атомами – естественный, самопроизвольный процесс, так как при этом происходит понижение энергии молекулярной системы, т.е. энергия молекулярной системы меньше суммарной энергии изолированных атомов. Это движущая сила образования химической связи.
Природа химических связей – электростатическая, т.к. атомы есть совокупность заряженных частиц, между которыми действуют силы притяжения и отталкивания, которые приходят в равновесие.
В образовании связей участвуютнеспаренные электроны, находящиеся на внешних атомных орбиталях (или готовые электронные пары) – валентные электроны.Говорят, что при образовании связей происходит перекрывание электронных облаков, в результате чего между ядрами атомов возникает область, где вероятность нахождения электронов обоих атомов максимальна.
|
s, p - элементы |
d – элементы |
|
Валентыми являются электроны внешнего уровня Например, Н +1) 1 e 1s 1 1 валентный электрон O +8) 2 e ) 6 e 1s 2 2s 2 2p 4 Внешний уровень не завершён - 6 валентных электронов |
Валентыми являются электроны внешнего уровня и d – электроны предвнешнего уровня Например, Cr +24) 2e) 8e) 8e+5e ) 1e 6 валентных электронов (5е+1е) |
Химическая связь - это взаимодействие атомов, осуществляемое путем обмена электронами.
При образовании химической связи атомы стремятся приобрести устойчивую восьмиэлектронную (или двухэлектронную – Н, Не) внешнюю оболочку, соответствующую строению атома ближайшего инертного газа, т.е. завершить свой внешний уровень.
Классификация химических связей.
1. По механизму образования химической связи.
а) обменный , когда оба атома, образующие связь, предоставляют для неё неспаренные электроны.
Например, образование молекул водорода Н 2 и хлора Cl 2:
б) донорно – акцепторный , когда один из атомов предоставляет для образования связи готовую пару электронов (донор), а второй атом – пустую свободную орбиталь.
Например, образование иона аммония (NH 4) + (заряженная частица):
2. По способу перекрывания электронных орбиталей.
а) σ - связь (сигма) , когда максимум перекрывания лежит на линии, соединяющей центры атомов.
Например,
H 2 σ (s -s )
Cl 2 σ(p-p)
HClσ(s-p)
б) π - связи (пи) , если максимум перекрывания не лежит на линии, соединяющей центры атомов.
3. По способу достижения завершенной электронной оболочки.
Каждый атом стремится завершить свою внешнюю электронную оболочку, при этом способов достижения такого состояния может бытьнесколько.
|
Признак сравнения |
Ковалентная |
Ионная |
Металлическая |
|
|
неполярная |
полярная |
|||
|
Как достигается завершеннаяэлектронная оболочка? |
Обобществление электронов |
Обобществление электронов |
Полная передача электронов, образование ионов (заряженных частиц). |
Обобществление электронов всеми атомами в крист. решетке |
|
Какие атомы участвуют? |
немет – немет ЭО = ЭО |
1) Немет-Немет 1 2)Мет–немет ЭО < ЭО |
мет + [ немет] - ЭО << ЭО |
В узлах находятся катионыи атомы металла. Связь осуществляют свободно перемещающиеся в межузловом пространстве электроны. |
|
∆c = ЭО 1 – ЭО 2 |
< 1,7 |
> 1,7 |
||
|
Примеры |
простые вещества – неметаллы. | |||
Ковалентная химическая связь, ее разновидности и механизмы образования. Характеристика ковалентной связи (полярность и энергия связи). Ионная связь. Металлическая связь. Водородная связь
Учение о химической связи составляет основу всей теоретической химии.
Под химической связью понимают такое взаимодействие атомов, которое связывает их в молекулы, ионы, радикалы, кристаллы.
Различают четыре типа химических связей: ионную, ковалентную, металлическую и водородную.
Деление химических связей на типы носит условный характер, по скольку все они характеризуются определенным единством.
Ионную связь можно рассматривать как предельный случай ковалентной полярной связи.
Металлическая связь совмещает ковалентное взаимодействие атомов с помощью обобществленных электронов и электростатическое притяжение между этими электронами и ионами металлов.
В веществах часто отсутствуют предельные случаи химической связи (или чистые химические связи).
Например, фторид лития $LiF$ относят к ионным соединениям. Фактически же в нем связь на $80%$ ионная и на $20%$ ковалентная. Правильнее поэтому, очевидно, говорить о степени полярности (ионности) химической связи.
В ряду галогеноводородов $HF—HCl—HBr—HI—HАt$ степень полярности связи уменьшается, ибо уменьшается разность в значениях электроотрицательности атомов галогена и водорода, и в астатоводороде связь становится почти неполярной $(ЭО(Н) = 2.1; ЭО(At) = 2.2)$.
Различные типы связей могут содержаться в одних и тех же веществах, например:
- в основаниях: между атомами кислорода и водорода в гидроксогруппах связь полярная ковалентная, а между металлом и гидроксогруппой — ионная;
- в солях кислородсодержащих кислот: между атомом неметалла и кислородом кислотного остатка — ковалентная полярная, а между металлом и кислотным остатком — ионная;
- в солях аммония, метиламмония и т. д.: между атомами азота и водорода — ковалентная полярная, а между ионами аммония или метиламмония и кислотным остатком — ионная;
- в пероксидах металлов (например, $Na_2O_2$) связь между атомами кислорода ковалентная неполярная, а между металлом и кислородом — ионная и т.д.
Различные типы связей могут переходить одна в другую:
— при электролитической диссоциации в воде ковалентных соединений ковалентная полярная связь переходит в ионную;
— при испарении металлов металлическая связь превращается в ковалентную неполярную и т.д.
Причиной единства всех типов и видов химических связей служит их одинаковая химическая природа — электронно-ядерное взаимодействие. Образование химической связи в любом случае представляет собой результат электронно-ядерного взаимодействия атомов, сопровождающегося выделением энергии.
Способы образования ковалентной связи. Характеристики ковалентной связи: длина и энергия связи
Ковалентная химическая связь — это связь, возникающая между атомами за счет образования общих электронных пар.
Механизм образования такой связи может быть обменным и донорно-акцепторным.
I. Обменный механизм действует, когда атомы образуют общие электронные пары за счет объединения неспаренных электронов.
1) $H_2$ - водород:
Связь возникает благодаря образованию общей электронной пары $s$-электронами атомов водорода (перекрыванию $s$-орбиталей):
2) $HCl$ — хлороводород:
Связь возникает за счет образования общей электронной пары из $s-$ и $p-$электронов (перекрывания $s-p-$орбиталей):
3) $Cl_2$: в молекуле хлора ковалентная связь образуется за счет непарных $p-$электронов (перекрывание $p-p-$орбиталей):
4) $N_2$: в молекуле азота между атомами образуются три общие электронные пары:
II. Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи рассмотрим на примере иона аммония $NH_4^+$.
Донор имеет электронную пару, акцептор — свободную орбиталь, которую эта пара может занять. В ионе аммония все четыре связи с атомами водорода ковалентные: три образовались благодаря созданию общих электронных пар атомом азота и атомами водорода по обменному механизму, одна — по донорно-акцепторному механизму.
Ковалентные связи можно классифицировать по способу перекрывания электронных орбиталей, а также по смещению их к одному из связанных атомов.
Химические связи, образующиеся в результате перекрывания электронных орбиталей вдоль линии связи, называются $σ$-связями (сигма-связями) . Сигма-связь очень прочная.
$p-$Орбитали могут перекрываться в двух областях, образуя ковалентную связь за счет бокового перекрывания:
Химические связи, образующиеся в результате «бокового» перекрывания электронных орбиталей вне линии связи, т.е. в двух областях, называются $π$-связями (пи-связями).
По степени смещенности общих электронных пар к одному из связанных ими атомов ковалентная связь может быть полярной и неполярной.
Ковалентную химическую связь, образующуюся между атомами с одинаковой электроотрицательностью, называют неполярной. Электронные пары не смещены ни к одному из атомов, т.к. атомы имеют одинаковую ЭО — свойство оттягивать к себе валентные электроны от других атомов. Например:
т.е. посредством ковалентной неполярной связи образованы молекулы простых веществ-неметаллов. Ковалентную химическую связь между атомами элементов, электроотрицательности которых различаются, называют полярной.
Длина и энергия ковалентной связи.
Характерные свойства ковалентной связи — ее длина и энергия. Длина связи — это расстояние между ядрами атомов. Химическая связь тем прочнее, чем меньше ее длина. Однако мерой прочности связи является энергия связи , которая определяется количеством энергии, необходимой для разрыва связи. Обычно она измеряется в кДж/моль. Так, согласно опытным данным, длины связи молекул $H_2, Cl_2$ и $N_2$ соответственно составляют $0.074, 0.198$ и $0.109$ нм, а энергии связи соответственно равны $436, 242$ и $946$ кДж/моль.
Ионы. Ионная связь
Представим себе, что «встречаются» два атома: атом металла I группы и атом неметалла VII группы. У атома металла на внешнем энергетическом уровне находится единственный электрон, а атому неметалла как раз не хватает именно одного электрона, чтобы его внешний уровень оказался завершенным.
Первый атом легко отдаст второму свой далекий от ядра и слабо связанный с ним электрон, а второй предоставит ему свободное место на своем внешнем электронном уровне.
Тогда атом, лишенный одного своего отрицательного заряда, станет положительно заряженной частицей, а второй превратится в отрицательно заряженную частицу благодаря полученному электрону. Такие частицы называются ионами.
Химическая связь, возникающая между ионами, называется ионной.
Рассмотрим образование этой связи на примере хорошо всем знакомого соединения хлорида натрия (поваренная соль):
Процесс превращения атомов в ионы изображен на схеме:
Такое превращение атомов в ионы происходит всегда при взаимодействии атомов типичных металлов и типичных неметаллов.
Рассмотрим алгоритм (последовательность) рассуждений при записи образования ионной связи, например между атомами кальция и хлора:
Цифры, показывающие число атомов или молекул, называются коэффициентами , а цифры, показывающие число атомов или ионов в молекуле, называют индексами.
Металлическая связь
Ознакомимся с тем, как взаимодействуют между собой атомы элементов-металлов. Металлы обычно существуют не в виде изолированных атомов, а в форме куска, слитка или металлического изделия. Что удерживает атомы металла в едином объеме?
Атомы большинства металлов на внешнем уровне содержат небольшое число электронов — $1, 2, 3$. Эти электроны легко отрываются, и атомы при этом превращаются в положительные ионы. Оторвавшиеся электроны перемещаются от одного иона к другому, связывая их в единое целое. Соединяясь с ионами, эти электроны образуют временно атомы, потом снова отрываются и соединяются уже с другим ионом и т.д. Следовательно, в объеме металла атомы непрерывно превращаются в ионы и наоборот.
Связь в металлах между ионами посредством обобществленных электронов называется металлической.
На рисунке схематически изображено строение фрагмента металла натрия.
При этом небольшое число обобществленных электронов связывает большое число ионов и атомов.
Металлическая связь имеет некоторое сходство с ковалентной, поскольку основана на обобществлении внеш них электронов. Однако при ковалентной связи обобществлены внешние непарные электроны только двух соседних атомов, в то время как при металлической связи в обобществлении этих электронов принимают участие все атомы. Именно поэтому кристаллы с ковалентной связью хрупки, а с металлической, как правило, пластичны, электропроводны и имеют металлический блеск.
Металлическая связь характерна как для чистых металлов, так и для смесей различных металлов — сплавов, находящихся в твердом и жидком состояниях.
Водородная связь
Химическую связь между положительно поляризованными атомами водорода одной молекулы (или ее части) и отрицательно поляризованными атомами сильно электроотрицательных элементов, имеющих неподеленные электронные пары ($F, O, N$ и реже $S$ и $Cl$), другой молекулы (или ее части) называют водородной.
Механизм образования водородной связи имеет частично электростатический, частично донорно- акцепторный характер.
Примеры межмолекулярной водородной связи:
При наличии такой связи даже низкомолекулярные вещества могут быть при обычных условиях жидкостями (спирт, вода) или легко сжижающимися газами (аммиак, фтороводород).
Вещества с водородной связью имеют молекулярные кристаллические решетки.
Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Тип кристаллической решетки. Зависимость свойств веществ от их состава и строения
Молекулярное и немолекулярное строение веществ
В химические взаимодействия вступают не отдельные атомы или молекулы, а вещества. Вещество при заданных условиях может находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком или газообразном. Свойства вещества зависят также от характера химической связи между образующими его частицами — молекулами, атомами или ионами. По типу связи различают вещества молекулярного и немолекулярного строения.
Вещества, состоящие из молекул, называются молекулярными веществами . Связи между молекулами в таких веществах очень слабые, намного слабее, чем между атомами внутри молекулы, и уже при сравнительно низких температурах они разрываются — вещество превращается в жидкость и далее в газ (возгонка йода). Температуры плавления и кипения веществ, состоящих из молекул, повышаются с увеличением молекулярной массы.
К молекулярным веществам относятся вещества с атомной структурой ($C, Si, Li, Na, K, Cu, Fe, W$), среди них есть металлы и неметаллы.
Рассмотрим физические свойства щелочных металлов. Относительно малая прочность связи между атомами обуславливает низкую механическую прочность: щелочные металлы мягкие, легко режутся ножом.
Большие размеры атомов приводят к малой плотности щелочных металлов: литий, натрий и калий даже легче воды. В группе щелочных металлов температуры кипения и плавления понижаются с увеличением порядкового номера элемента, т.к. размеры атомов увеличиваются, и ослабевают связи.
К веществам немолекулярного строения относятся ионные соединения. Таким строением обладает большинство соединений металлов с неметаллами: все соли ($NaCl, K_2SO_4$), некоторые гидриды ($LiH$) и оксиды ($CaO, MgO, FeO$), основания ($NaOH, KOH$). Ионные (немолекулярные) вещества имеют высокие температуры плавления и кипения.
Кристаллические решетки
Вещество, как известно, может существовать в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом.
Твердые вещества: аморфные и кристаллические.
Рассмотрим, как влияют особенности химических связей на свойства твердых веществ. Твердые вещества делятся на кристаллические и аморфные.
Аморфные вещества не имеют четкой температуры плавления — при нагревании они постепенно размягчаются и переходят в текучее состояние. В аморфном состоянии, например, находятся пластилин и различные смолы.
Кристаллические вещества характеризуются правильным расположением тех частиц, из которых они состоят: атомов, молекул и ионов — в строго определенных точках пространства. При соединении этих точек прямыми линиями образуется пространственный каркас, называемый кристаллической решеткой. Точки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решетки.
В зависимости от типа частиц, расположенных в узлах кристаллической решетки, и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, молекулярные и металлические.
Ионные кристаллические решетки.
Ионными называют кристаллические решетки, в узлах которых находятся ионы. Их образуют вещества с ионной связью, которой могут быть связаны как простые ионы $Na^{+}, Cl^{-}$, так и сложные $SO_4^{2−}, ОН^-$. Следовательно, ионными кристаллическими решетками обладают соли, некоторые оксиды и гидроксиды металлов. Например, кристалл хлорида натрия состоит из чередующихся положительных ионов $Na^+$ и отрицательных $Cl^-$, образующих решетку в форме куба. Связи между ионами в таком кристалле очень устойчивы. Поэтому вещества с ионной решеткой отличаются сравнительно высокой твердостью и прочностью, они тугоплавки и нелетучи.
Атомные кристаллические решетки.
Атомными называют кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы. В таких решетках атомы соединены между собой очень прочными ковалентными связями. Примером веществ с таким типом кристаллических решеток может служить алмаз — одно из аллотропных видоизменений углерода.
Большинство веществ с атомной кристаллической решеткой имеют очень высокие температуры плавления (например, у алмаза она выше $3500°С$), они прочны и тверды, практически нерастворимы.
Молекулярные кристаллические решетки.
Молекулярными называют кристаллические решетки, в узлах которых располагаются молекулы. Химические связи в этих молекулах могут быть и полярными ($HCl, H_2O$), и неполярными ($N_2, O_2$). Несмотря на то, что атомы внутри молекул связаны очень прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения. Поэтому вещества с молекулярными кристаллическими решетками имеют малую твердость, низкие температуры плавления, летучи. Большинство твердых органических соединений имеют молекулярные кристаллические решетки (нафталин, глюкоза, сахар).
Металлические кристаллические решетки.
Вещества с металлической связью имеют металлические кристаллические решетки. В узлах таких решеток находятся атомы и ионы (то атомы, то ионы, в которые легко превращаются атомы металла, отдавая свои внешние электроны «в общее пользование»). Такое внутреннее строение металлов определяет их характерные физические свойства: ковкость, пластичность, электро- и теплопроводность, характерный металлический блеск.
Загрузка...
