Ионная связь характерна для. Ионная связь. Механизм образования ионной связи. Свойства ионной связи. Достоинства и недостатки теории ионной связи. Смотреть что такое "Ионная химическая связь" в других словарях
Электроны от одного атома могут полностью перейти к другому. Такое перераспределение зарядов ведет к образованию положительно и отрицательно заряженных ионов (катионов и анионов). Между ними возникает особый тип взаимодействия — ионная связь. Рассмотрим подробнее способ ее образования, строение и свойства веществ.
Электроотрицательность
Атомы отличаются по электрооотрицательности (ЭО) — способности притягивать к себе электроны с валентных оболочек других частиц. Для количественного определения используется предложенная Л. Поллингом шкала относительной электроотрицательности (безразмерная величина). Сильнее, чем у других элементов, выражена способность притягивать к себе электроны у атомов фтора, его ЭО — 4. В шкале Поллинга сразу же за фтором следуют кислород, азот, хлор. Значения ЭО водорода и других типичных неметаллов равны или близки к 2. Из металлов большинство обладает электроотрицательностью от 0,7 (Fr) до 1,7. Существует зависимость ионности связи от разности ЭО химических элементов. Чем она больше, тем выше вероятность того, что возникнет ионная связь. Этот тип взаимодействия чаще встречается при разности ЭО=1,7 и выше. Если значение меньше, то соединения относятся к полярным ковалентным.
Энергия ионизации
Для отрыва слабо связанных с ядром внешних электронов необходима энергия ионизации (ЭИ). Единица изменения этой физической величины — 1 электрон-вольт. Существуют закономерности изменения ЭИ в рядах и столбцах периодической системы, зависящие от возрастания заряда ядра. В периодах слева направо энергия ионизации увеличивается и приобретает наибольшие значения у неметаллов. В группах она уменьшается сверху вниз. Основная причина — увеличение радиуса атома и расстояния от ядра до внешних электронов, которые легко отрываются. Возникает положительно заряженная частица — соответствующий катион. По величине ЭИ можно судить о том, возникает ли ионная связь. Свойства также зависят от энергии ионизации. Например, металлы щелочные и щелочноземельные обладают небольшими значениями ЭИ. У них ярко выражены восстановительные (металлические) свойства. Инертные газы в химическом отношении малоактивны, что обусловлено их высокой энергией ионизации.
Сродство к электрону
В химических взаимодействиях атомы могут присоединять электроны с образованием отрицательной частицы — аниона, процесс сопровождается выделением энергии. Соответствующая физическая величина — это сродство к электрону. Единица измерения такая же, как энергии ионизации (1 электрон-вольт). Но ее точные значения известны не для всех элементов. Галогены обладают наибольшим сродством к электрону. На внешнем уровне атомов элементов — 7 электронов, не хватает только одного до октета. Сродство к электрону у галогенов высокое, они обладают сильными окислительными (неметаллическими) свойствами.
Взаимодействия атомов при образовании ионной связи
Атомы, имеющие незавершенный внешний уровень, находятся в неустойчивом энергетическом состоянии. Стремление к достижению стабильной электронной конфигурации — основная причина, которая приводит к образованию химических соединений. Процесс обычно сопровождается выделением энергии и может привести к молекулам и кристаллам, отличающимся по строению и свойствам. Сильные металлы и неметаллы значительно различаются между собой по ряду показателей (ЭО, ЭИ и сродству к электрону). Для них больше подходит такой тип взаимодействия, как ионная химическая связь, при которой перемещается объединяющая молекулярная орбиталь (общая электронная пара). Считается, что при образовании ионов металлы полностью передают электроны неметаллам. Прочность возникшей связи зависит от работы, необходимой для разрушения молекул, составляющих 1 моль исследуемого вещества. Эта физическая величина известна как энергия связи. Для ионных соединений ее значения составляют от нескольких десятков до сотен кДж/моль.
Образование ионов
Атом, отдающий свои электроны при химических взаимодействиях, превращается в катион (+). Принимающая частица — это анион (-). Чтобы выяснить, как будут вести себя атомы, возникнут ли ионы, нужно установить разность их ЭО. Проще всего провести такие расчеты для соединения из двух элементов, например, хлорида натрия.
Натрий имеет всего 11 электронов, конфигурация внешнего слоя — 3s 1 . Для его завершения атому легче отдать 1 электрон, чем присоединить 7. Строение валентного слоя хлора описывает формула 3s 2 3p 5 . Всего у атома 17 электронов, 7 — внешних. Не хватает одного для достижения октета и стабильной структуры. Химические свойства подтверждают предположения о том, что атом натрия отдает, а хлор принимает электроны. Возникают ионы: положительный (катион натрия) и отрицательный (анион хлора).
Ионная связь
Теряя электрон, натрий приобретает положительный заряд и устойчивую оболочку атома инертного газа неона (1s 2 2s 2 2p 6). Хлор в результате взаимодействия с натрием получает дополнительный отрицательный заряд, а ион повторяет строение атомной оболочки благородного газа аргона (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6). Приобретенный электрический заряд называется зарядом иона. Например, Na + , Ca 2+ , Cl - , F - . В составе ионов могут находиться атомы нескольких элементов: NH 4 + , SO 4 2- . Внутри таких сложных ионов частицы связаны по донорно-акцепторному или ковалентному механизму. Между разноименно заряженными частицами возникает электростатическое притяжение. Его величина в случае ионной связи пропорциональна зарядам, а с увеличением расстояния между атомами оно слабеет. Характерные признаки ионной связи:
- сильные металлы реагируют с активными неметаллическими элементами;
- электроны переходят от одного атома к другому;
- возникшие ионы обладают стабильной конфигурацией внешних оболочек;
- между противоположно заряженными частицами возникает электростатическое притяжение.
Кристаллические решетки ионных соединений
В химических реакциях металлы 1-й, 2-й и 3-й групп периодической системы обычно теряют электроны. Образуются одно-, двух- и трехзарядные положительные ионы. Неметаллы 6-й и 7-й групп обычно присоединяют электроны (исключение — реакции с фтором). Возникают одно- и двухзарядные отрицательные ионы. Затраты энергии на эти процессы, как правило, компенсируются, при создании кристалла вещества. Ионные соединения обычно находятся в твердом состоянии, образуют структуры, состоящие из противоположно заряженных катионов и анионов. Эти частицы притягиваются и образуют гигантские кристаллические решетки, в которых положительные ионы окружены отрицательными частицами (и наоборот). Суммарный заряд вещества равен нулю, ведь общее число протонов уравновешивается количеством электронов всех атомов.
Свойства веществ с ионной связью
Для ионных кристаллических веществ характерны высокие температуры кипения и плавления. Обычно эти соединения являются термостойкими. Следующую особенность можно обнаружить при растворении таких веществ в полярном растворителе (воде). Кристаллы легко разрушаются, а ионы переходят в раствор, который обладает электрической проводимостью. Ионные соединения также разрушаются при расплавлении. Появляются свободные заряженные частицы, значит, расплав проводит электрический ток. Вещества с ионной связью являются электролитами — проводниками второго рода.
Относятся к группе ионных соединений оксиды и галогениды щелочных и щелочноземельных металлов. Практически все они находят широкое применение в науке, технике, химическом производстве, металлургии.
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
Ионная связь
Теория химической связи занимает важнейшее место в современной химии . Она объясняет, почему атомы объединяются в химические частицы , и позволяет сравнивать устойчивость этих частиц . Используя теорию химической связи , можно предсказать состав и строение различных соединений . Понятие о разрыве одних химических связей и образовании других лежит в основе современных представлений о превращениях веществ в ходе химических реакций .
Химическая связь - это взаимодействие атомов , обусловливающее устойчивость химической частицы или кристалла как целого . Химическая связь образуется за счет электростатического взаимодействия между заряженными частицами : катионами и анионами, ядрами и электронами . При сближении атомов начинают действовать силы притяжения между ядром одного атома и электронами другого, а также силы отталкивания между ядрами и между электронами . На некотором расстоянии эти силы уравновешивают друг друга , и образуется устойчивая химическая частица .
При образовании химической связи может произойти существенное перераспределение электронной плотности атомов в соединении по сравнению со свободными атомами .
В предельном случае это приводит к образованию заряженных частиц - ионов (от греческого "ион" - идущий).
1 Взаимодействие ионов
Если атом теряет один или несколько электронов , то он превращается в положительный ион - катион (в переводе с греческого – «идущий вниз »). Так образуются катионы водорода Н + , лития Li + , бария Ва 2+ . Приобретая электроны, атомы превращаются в отрицательные ионы - анионы (от греческого "анион" - идущий вверх ). Примерами анионов являются фторид ион F − , сульфид-ион S 2− .
Катионы и анионы способны притягиваться друг к другу . При этом возникает химическая связь , и образуются химические соединения . Такой тип химической связи называется ионной связью :
2 Определение Ионной связи
Ионная связь - это химическая связь, образованная за счет электростатического притяжения между катионами и анионами .
Механизм образования ионной связи можно рассмотреть на примере реакции между натрием и хлором . Атом щелочного металла легко теряет электрон , а атом галогена - приобретает . В результате этого возникает катион натрия и хлорид-ион . Они образуют соединение за счет электростатического притяжения между ними .
Взаимодействие между катионами и анионами не зависит от направления , поэтому о ионной связи говорят как о ненаправленной . Каждый катион может притягивать любое число анионов , и наоборот . Вот почему ионная связь является ненасыщенной . Число взаимодействий между ионами в твердом состоянии ограничивается лишь размерами кристалла . Поэтому "молекулой " ионного соединения следует считать весь кристалл .
Для возникновения ионной связи необходимо , чтобы сумма значений энергии ионизации E i (для образования катиона) и сродства к электрону A e (для образования аниона) должна быть энергетически выгодной . Это ограничивает образование ионной связи атомами активных металлов (элементы IA- и IIA-групп, некоторые элементы IIIA-группы и некоторые переходные элементы) и активных неметаллов (галогены, халькогены, азот).
Идеальной ионной связи практически не существует . Даже в тех соединениях, которые обычно относят к ионным , не происходит полного перехода электронов от одного атома к другому ; электроны частично остаются в общем пользовании . Так, связь во фториде лития на 80% ионная , а на 20% - ковалентная . Поэтому правильнее говорить о степени ионности (полярности ) ковалентной химической связи . Считают, что при разности электроотрицательностей элементов 2,1 связь является на 50% ионной . При большей разности соединение можно считать ионным .
Ионной моделью химической связи широко пользуются для описания свойств многих веществ , в первую очередь, соединений щелочных и щелочноземельных металлов с неметаллами . Это обусловлено простотой описания таких соединений : считают, что они построены из несжимаемых заряженных сфер , отвечающих катионам и анионам . При этом ионы стремятся расположиться таким образом, чтобы силы притяжения между ними были максимальными, а силы отталкивания - минимальными.
Ионная связь - прочная химическая связь, образующаяся между атомами с большой разностью (>1,7 по шкале Полинга) электроотрицательностей , при которой общая электронная пара полностью переходит к атому с большей электроотрицательностью. Это притяжение ионов как разноименно заряженных тел. Примером может служить соединение CsF, в котором «степень ионности» составляет 97 %.
Ионная связь - крайний случай поляризации ковалентной полярной связи . Образуется между типичными металлом и неметаллом . При этом электроны у металла полностью переходят к неметаллу . Образуются ионы.
Если химическая связь образуется между атомами, которые имеют очень большую разность электроотрицательностей (ЭО > 1.7 по Полингу) , то общая электронная пара полностью переходит к атому с большей ЭО . Результатом этого является образование соединения противоположно заряженных ионов :
Между образовавшимися ионами возникает электростатическое притяжение , которое называется ионной связью . Вернее, такой взгляд удобен . На деле ионная связь между атомами в чистом виде не реализуется нигде или почти нигде , обычно на деле связь носит частично ионный , и частично ковалентный характер . В то же время связь сложных молекулярных ионов часто может считаться чисто ионной . Важнейшие отличия ионной связи от других типов химической связи заключаются в ненаправленности и ненасыщаемости . Именно поэтому кристаллы, образованные за счёт ионной связи, тяготеют к различным плотнейшим упаковкам соответствующих ионов.
3 Ионные радиусы
В простой электростатической модели ионной связи используется понятие ионных радиусов . Сумма радиусов соседних катиона и аниона должна равняться соответстующему межъядерному расстоянию :
r 0 = r + + r −
При этом остается неясным , где следует провести границу между катионом и анионом . Сегодня известно , что чисто ионной связи не существует , так как всегда имеется некоторое перекрывание электронных облаков . Для вычисления радиусов ионов используют методы исследования , которые позволяют определять электронную плотность между двумя атомами . Межъядерное расстояние делят в точке , где электронная плотность минимальна .
Размеры иона зависят от многих факторов . При постоянном заряде иона с ростом порядкового номера (а, следовательно, заряда ядра ) ионный радиус уменьшается . Это особенно хорошо заметно в ряду лантаноидов , где ионные радиусы монотонно меняются от 117 пм для (La 3+) до 100 пм (Lu 3+) при координационном числе 6 . Этот эффект носит название лантаноидного сжатия .
В группах элементов ионные радиусы в целом увеличиваются с ростом порядкового номера . Однако для d -элементов четвертого и пятого периодов вследствие лантаноидного сжатия может произойти даже уменьшение ионного радиуса (например, от 73 пм у Zr 4+ до 72 пм у Hf 4+ при координационном числе 4).
В периоде происходит заметно уменьшение ионного радиуса , связанное с усилением притяжения электронов к ядру при одновременном росте заряда ядра и заряда самого иона : 116 пм у Na + , 86 пм у Mg 2+ , 68 пм у Al 3+ (координационное число 6). По этой же причине увеличение заряда иона приводит к уменьшению ионного радиуса для одного элемента : Fe 2+ 77 пм, Fe 3+ 63 пм, Fe 6+ 39 пм (координационное число 4).
Сравнение ионных радиусов можно проводить только при одинаковом координационном числе , поскольку оно оказывает влияние на размер иона из-за сил отталкивания между противоионами . Это хорошо видно на примере иона Ag + ; его ионных радиус равен 81, 114 и 129 пм для координационных чисел 2, 4 и 6 , соответственно .
Структура идеального ионного соединения , обусловленная максимальным притяжением между разноименными ионами и минимальным отталкиванием одноименных ионов , во многом определяется соотношением ионных радиусов катионов и анионов . Это можно показать простыми геометрическими построениями.
4 Энергия ионной связи
Энергия связ и для ионного соединения - это энергия , которая выделяется при его образовании из бесконечно удаленных друг от друга газообразных противоионов . Рассмотрение только электростатических сил соответствует около 90% от общей энергии взаимодействия , которая включает также вклад неэлектростатических сил (например, отталкивание электронных оболочек ).
Ионы – это атомы, потерявшие или получившие электроны и, как следствие, некоторый заряд. Для начала хотелось бы напомнить, что ионы бывают двух типов: катионы (положительный заряд ядра больше, чем количество электронов, несущих отрицательный заряд) и анионы (заряд ядра меньше количества электронов). Ионная связь образуется в результате взаимодействия двух ионов с разноименными зарядами.
Ионная и ковалентная связь
Данный тип связи является частным случаем ковалентной. Разность электроотрицательностей в данном случае столь велика (более чем 1,7 по Полингу), что общая пара электронов не частично смещается, а полностью переходит к атому с большей электроотрицательностью. Поэтому образование ионной связи является результатом возникновения сильного электростатического взаимодействия между ионами. Важно понимать, что не существует стопроцентно ионной связи. Данный термин применяется, если «ионные признаки» более выражены (т.е. электронная пара сильно смещена к более электроотрицательному атому).
Механизм ионной связи
Атомы, имеющие практически полную или практически пустую валентную (внешнюю) оболочку, наиболее охотно вступают в химические реакции. Чем меньше пустых орбиталей на валентной оболочке, тем выше шанс, что атом получит электроны извне. И наоборот – чем меньше электронов находится на внешней оболочке, тем вероятнее, что атом отдаст электрон.
ЭлектроотрицательностьЭто способность атома притягивать к себе электроны, поэтому атомы с наиболее заполненными валентными оболочками более электроотрицательны.
Типичный металл охотно отдает электроны, тогда как типичный неметалл охотнее их забирает. Поэтому чаще всего ионную связь образуют металлы и неметаллы. Отдельно следует упомянуть другой тип ионной связи – молекулярную . Ее особенность в том, что в роли ионов выступают не отдельные атомы, а целые молекулы.
Схема ионной связи
На рисунке схематически изображено формирование фторида натрия. Натрий имеет низкую электроотрицательность и всего один электрон на валентной оболочке (ВО). Фтор – значительно более высокую электроотрицательность, ему не хватает всего одного электрона для заполнения ВО. Электрон с ВО натрия, переходит на ВО фтора, заполняя орбиталь, в следствии чего оба атома приобретают разноименные заряды и притягиваются друг к другу.
Свойства ионной связи
Ионная связь достаточно сильна – разрушить ее при помощи тепловой энергии крайне сложно, а потому вещества с ионной связью имеют высокую температуру плавления . В то же время радиус взаимодействия ионов достаточно низкий, что обуславливает ломкость подобных соединений. Важнейшими ее свойствами являются ненаправленность и ненасыщаемость . Ненаправленность происходит из формы электрического поля иона, которое представляет собой сферу и способно взаимодействовать с катионами или анионами во всех направлениях. При этом поля двух ионов не компенсируются полностью, вследствие чего они вынуждены притягивать к себе дополнительные ионы, образуя кристалл, – это и есть явление, называемое ненасыщаемостью. В ионных кристаллах нет молекул, а отдельные катионы и анионы окружены множеством ионов противоположного знака, количество которых зависит в основном от положения атомов в пространстве.
Кристаллы поваренной соли (NaCl) – типичный пример ионной связи.
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.