Самоучитель ЕГЭ по химии
Сборник цифровых файлов для самостоятельной подготовки к ЕГЭ по химии «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков
Часть 1. Начальный Химик Ум
ЕГЭ 4. Теория
Сборник цифровых файлов для самостоятельной подготовки к ЕГЭ по химии «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков
Часть 1. Начальный Химик Ум
ЕГЭ 4. Теория
Листайте галереи слайдов влево вправо по страницам.
Лучше просматривать учебные материалы на большом экране монитора компьютера или ноутбука.
Лучше просматривать учебные материалы на большом экране монитора компьютера или ноутбука.
ЕГЭ 4 химия. Теория ЕГЭ 4 химия
А теперь титры,
как после просмотра долгого, интересного, захватывающего блокбастера в кинотеатре
как после просмотра долгого, интересного, захватывающего блокбастера в кинотеатре
В качестве титров у нас будут самые важные тезисы конспекта по теме: «Виды химической связи: ковалентная, ионная, металлическая, водородная и механизмы её образования. Типы кристаллических решёток. Вещества молекулярного и немолекулярного строения».
Виды химической связи. Роль электроотрицательности атомов в образовании химической связи между ними.
Химическая связь - это взаимодействие атомов, осуществляемое путём обмена или перехода электронов от одного атома к другому, или межмолекулярное взаимодействие атомов. Различают следующие виды химической связи:
Важнейшей характеристикой атома при образовании химической связи является его электроотрицательность (ЭО) - способность атома химического элемента смещать к себе (притягивать) валентные электроны другого атома в молекуле.
Существует шкала относительных атомных электроотрицательностей химических элементов, разных авторов, например, самая новая шкала профессора Оганова.
На приведённой шкале относительных атомных электроотрицательностей химических элементов только s- и p-элементы Периодической системы. «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Ступенчатая диагональ от бора (B) к астату (At) делит элементы на металлы (левый нижний угол под ступенчатой диагональю) и неметаллы (правый верхний угол над ступенчатой диагональю).
Хотя следует отметить, что элементы: B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po, At находящиеся на диагонали или возле диагонали бор (B) - астат (At) ещё называют полуметаллами (или металлоидами), по своим свойствам они занимают промежуточное положение между металлами и неметаллами. «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Как видно из шкалы, электроотрицательность у неметаллов больше, чем у металлов. Поэтому неметаллы смещают к себе электроны металлов при образовании ионной связи.
Поэтому в бинарных соединениях «металл-неметалл», у металла всегда положительная степень окисления, а у неметалла отрицательная, например, в ионных соединениях: Na+1Cl¯1, K+1Br¯1-ионный вид связи.
Если разница в электроотрицательности небольшая, например, между двумя неметаллами, то реализуется ковалентный полярный вид связи, например, в молекуле хлороводорода: Hᵟ+―Clᵟ－
Если разницы в электроотрицательности между двумя атомами в молекуле нет, то такой вид связи называют ковалентной неполярной связью, так как нет полюса, отрицательного или положительного полюса в молекуле. Например, в молекулах простых веществ неметаллов ковалентная неполярная связь: O2, Cl2, N2.
Металлическая связь реализуется в простых веществах - металлах и сплавах металлов. Атомы металлов довольно легко теряют свои валентные электроны превращаясь в катионы - положительно заряженные ионы. А потерянные атомами металлов электроны становятся общими для всего образца (например, кусочка металлической проволоки). Реализация такого состояния металла, как простого вещества, реализация металлической связи приводит к таким физическим свойствам металлов как: прочность и пластичность, электропроводность, теплопроводность, металлический блеск.
Причиной образования любой химической связи является стремление атомов к образованию системы (молекулы, кристалла, сложного иона) с устойчивым состоянием, с минимально возможным запасом энергии.
Деление химических связей на виды носит условный характер. Так, ионную связь можно рассматривать как крайний случай ковалентной полярной связи, а металлическая связь совмещает ковалентное взаимодействие атомов с помощью обобществлённых электронов и электростатическое притяжение между этими электронами и катионами металлов.
Водородная связь наиболее часто реализуется как межмолекулярное взаимодействие (между молекулами). В то время как ковалентная связь, реализуется как внутримолекулярное взаимодействие атомов внутри молекулы.
Водородная связь - это связь между атомом водорода одной молекулы и высокоэлектроотрицательным атомом другой молекулы. В качестве таковых надо запомнить три элемента: фтор (F), кислород (O), азот (N).
Обозначается водородная связь обычно тремя точками между атомом водорода одной молекулы и атомом кислорода, или фтора, или азота другой молекулы. Вот, в качестве примера, водородная связь между молекулами воды:
То есть, водородная связь - это дополнительная химическая связь между положительно поляризованным атомом водорода одной молекулы и отрицательно поляризованным атомом элемента с высокой электроотрицательностью (кислорода, или фтора, или азота) другой молекулы. Примеры и механизмы образования ковалентной связи: неполярная и полярная ковалентная связь, обменный и донорно-акцепторный механизмы её образования
Рассмотрим образование ковалентной неполярной связи в простейшей молекуле водорода Н2, из двух атомов водорода Н, по обменному механизму. «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Каждому из двух атомов водорода до завершения внешнего энергетического уровня не хватает по одному электрону. Если они получат по недостающему электрону, то завершат свой внешний энергетический уровень и приобретут устойчивую конфигурацию подобную инертному газу гелию 2He 1s2
А, как мы рассуждали ранее, причиной образования любой химической связи является стремление атомов к образованию устойчивой системы, с минимально возможным запасом энергии. Поэтому два атома водорода и будут стремиться к образованию молекулы Н2 с устойчивой, завершённой электронной конфигурацией инертного газа гелия (Нe).
При образовании молекулы водорода Н2 происходит объединение электронов двух атомов, в результате чего каждый атом водорода в молекуле приобретает конфигурацию, подобную электронной конфигурации инертного газа гелия .
При образовании ковалентной связи два атома обменялись своими электронами, поэтому такой механизм называется обменный механизм образования ковалентной связи.
Рассмотрим ещё пример: образование ковалентной неполярной связи в молекуле фтора F2.
Атом фтора на внешнем энергетическом уровне содержит семь электронов.
До завершения внешнего энергетического уровня каждому из двух атомов фтора при образовании молекулы F2 не хватает по одному электрону. Если они получат по недостающему электрону, то завершат свой внешний энергетический уровень, и приобретут устойчивую электронную конфигурацию, подобную конфигурации инертного газа неона (Ne). Каждый атом фтора F при образовании связи в молекуле F2 предоставляет по одному неспаренному электрону. Это приводит к образованию общей электронной пары, в результате атомы фтора приобретают устойчивую восьмиэлектронную конфигурацию инертного газа неона (Ne):«самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Электроны на данной схеме обозначены точками, это так называемая электронная формула Льюиса. В формуле Льюиса связь между двумя атомами показывается при помощи обозначения каждого из валентных электронов точкой.
Полярная ковалентная связь
Ковалентная связь может быть реализована не только между атомами одинаковых неметаллов, но и между атомами разных неметаллов. Тогда она будет ковалентной полярной связью. Например, ковалентная полярная связь в молекуле хлороводорода.
При соединении атомов водорода Н и хлора Cl в молекулу H―Cl каждый атом приобретает устойчивую электронную конфигурацию инертного газа:
- водород двухэлектронную, подобную конфигурации гелия (He);
- хлор восьмиэлектронную, подобную конфигурации аргона (Ar).
Но, общая электронная пара в молекуле хлороводорода смещается к более электроотрицательному атому хлора, что обозначается стрелкой
Одинарные и кратные ковалентные связи
В молекулах фтора F―F и хлороводорода H―Cl между атомами образуется одна общая электронная пара, поэтому такая связь называется одинарной. Обозначается одним валентным штрихом между атомами.
Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи
Но реализуется и другой механизм образования ковалентной связи, который называется донорно-акцепторным. В нём, атом - донор предоставляет свою электронную пару, а другой атом - акцептор принимает эту электронную пару на свою свободную электронную орбиталь (в свою свободную квантовую ячейку).
Классическим примером образования ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму является образование катиона аммония NH4+ при взаимодействии молекулы аммиака NH3 с катионом водорода Н+
В молекуле аммиака NH3 атом азота с тремя неспаренными электронами образует три ковалентные связи с тремя атомами водорода по обменному механизму.
Но, у азота остаётся неподелённая электронная пара, которую он предоставляет для образования четвёртой ковалентной связи уже по донорно-акцепторному механизму с катионом водорода, у которого есть свободная орбиталь (свободная квантовая ячейка). «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
На электронных формулах Льюиса образование катиона аммония будет выглядеть так:
Таким образом, в катионе аммония три связи образованы по обменному механизму, а четвёртая по донорно-акцепторному. Все четыре связи равноценны по своим свойствам и отличаются только механизмом образования.
Определитель к заданиям экзамена: вещества, которые имеют ковалентную НЕполярную химическую связь валентный штрих между двумя одинаковыми неметаллами.
В структурных формулах сложных веществ (неорганических и органических).
Если валентный штрих между символами одинаковых элементов, то связь ковалентная НЕполярная.
Если валентный штрих между символами разных элементов, то связь ковалентная полярная.
Определитель к заданиям экзамена: вещества, которые имеют ковалентную полярную химическую связь валентный штрих между двумя разными неметаллами. «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Химическая связь в карбидах
Карбиды - это твёрдые тугоплавкие вещества.
Карбиды классифицируют на:
- ионные (солеобразные) карбиды (углерод с активным металлом: щелочным, щелочноземельным и алюминием): Na2C2, К2C2, CaC2, BaC2, Al4C3;
- ковалентные карбиды (углерод с неметаллом): карбид кремния SiC (карборунд), карбид бора B4C.
Как уже ранее было сказано, в ковалентных карбидах (соединения углерода с неметаллами) реализуется ковалентная полярная связь.
С ионными (солеобразными) карбидами история с химической связью чуть более запутанная. Ионные карбиды делят на ацетилениды и метаниды.
Ацетилениды образуют при гидролизе газ ацетилен C2H2, к ним относят ацетиленид динатрия Na2C2, ацетиленид дикалия К2C2, ацетиленид кальция:
Ацетилениды рассматривают как солеобразные производные ацетилена, в которых один или два атома водорода замещены атомами металлов.
Ионные карбиды - метаниды образуют при гидролизе метан CH4, к ним относят:
Определитель к заданиям экзамена: вещества, которые имеют ковалентную химическую связь образованную по донорно-акцепторному механизму.
Степень окисления азота в азотной кислоте +5. Но валентность азота IV. Атом азота образует в молекуле азотной кислоты три ковалентные связи по обменному механизму и одну ковалентную связь по донорно-акцепторному механизму, азот является донором электронной пары.
Донорно-акцепторная связь в комплексных соединениях образуется между комплексообразователем (центральным ионом) и лигандами. «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Ионная химическая связь
Ионная связь – это связь между атомами, резко отличающимися по электроотрицательности:
- у одного атома она очень высокая (это типичные неметаллы: галогены, кислород, сера, азот и другие неметаллы);
- у другого атома электроотрицательность низкая (это типичные металлы: щелочные, щелочноземельные; или группа атомов в виде катиона аммония NH4+).
Ионную связь часто рассматривают как крайний случай ковалентной полярной связи, когда электрон (или электроны) практически полностью переходит от атома с меньшей электроотрицательностью к атому с большей электроотрицательностью.
Ионная связь также реализуется между катионом (К+) и анионом (А¯) солей кислородсодержащих кислот, щелочей.
Металлическая связь
Металлическая связь — это связь между положительными ионами в кристаллах металлов (в металлической кристаллической решётке), осуществляемая за счёт общих электронов, свободно перемещающихся по кристаллу металла.
Размеры атомов металлов довольно большие, поэтому их валентные электроны находятся далеко от ядра, а значит, слабо связаны с ядрами атомов и могут легко отрываться от них. В результате, в металлической кристаллической решётке атомы металлов теряют свои электроны, образуя положительно заряженные ионы и свободные электроны
Поэтому, металлы представляют собой кристаллическую структуру образованную из положительных ионов, а связь между этими ионами осуществляется за счёт большого количества электронов, перемещающихся в поле положительных ионов.
Металлическая связь, как и ионная, отличается ненаправленностью, так как валентные электроны распределены по кристаллу металла равномерно. Наличие свободно перемещающихся электронов в металлической кристаллической решётке обусловливает характерные свойства металлов: высокая электропроводность, высокая теплопроводность, пластичность, ковкость, «металлический блеск» (хорошая отражательная способность, зеркало).
Все металлы (кроме ртути) и подавляющее большинство ионных соединений при обычных условиях представляют собой кристаллические твёрдые вещества. Но твёрдые металлы проводят электрический ток, а ионные соединения в твёрдом виде — нет, так как заряженные частицы в ионных соединениях не способны перемещаться, они находятся в узлах ионной кристаллической решётки. Однако расплавы и растворы ионных соединений электропроводны, потому что они образуют ионы - заряженные частицы, в процессе своей диссоциации (ионизации).
Водородная связь. Водородная связь — это дополнительная химическая связь в виде межмолекулярного взаимодействия, возникающая между молекулами (или внутри молекулы), в которых есть сильно полярные ковалентные связи: O―H, или N―H, или F―H. «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Водородные связи могут быть и в неорганических, и в органических веществах.
Важное примечание: полярность связи С―H не достаточна для образования водородных связей между молекулами её содержащими. Поэтому органические вещества, содержащие связь С―H, но без сильно полярных ковалентных связей O―H, N―H, F―H, дополнительные водородные связи между своими молекулами не образуют.
В качестве высокоэлектроотрицательных атомов элементов, способных к образованию водородных связей, необходимо запомнить три: фтор (F), кислород (O), азот (N). Именно между одним из этой троицы высокоэлектроотрицательных атомом и менее электроотрицательным атомом водорода (Н) другой молекулы образуется дополнительная водородная связь.
Водородную связь обозначают точками между атомом водорода одной молекулы, и электроотрицательным атомом фтора (F), или кислорода (O), или азота (N) другой молекулы, например: - (межмолекулярная) водородная связь между молекулами воды:
- (межмолекулярная) водородная связь между двумя молекулами уксусной кислоты:
-(внутримолекулярная) водородная связь между гидроксогруппой ―OH и альдегидной группой ―COH в 2-гидроксибензальдегиде:
- (внутримолекулярная) водородная связь между пептидными группами в белках:
Водородная связь между пептидными группами в белках — это нековалентное взаимодействие, которое стабилизирует элементы вторичной структуры белковой молекулы. Пептидные связи полипептидной цепи содержат группы С=О...H―N, способные образовывать внутримолекулярные водородные связи.
В заданиях экзамена по химии водородную связь «необходимо увидеть», выбрать из перечня те вещества в которых она есть, или исключить из перечня те вещества , в которых её нет.
Кристаллические решётки. Кристаллическая решётка — это внутренняя структура кристалла, порядок взаимного расположения атомов, или ионов, или молекул. Точки, в которых находятся эти частицы, называются узлами решётки.
В зависимости от того, какой вид связи удерживает атомы, или ионы, или молекулы данного вещества выделяют основные типы кристаллических решёток:
- атомная (ковалентные связи);
- молекулярная (ковалентные связи между атомами в молекуле);
- металлическая (металлические связи);
- ионная (ионные связи). «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Важно! Не путайте два разных понятия — кристаллическая решётка и химическая связь! Металлическая решётка - металлическая химическая связь. Ионная решётка - ионная химическая связь. Атомная решётка - ковалентная химическая связь (полярная и неполярная). Молекулярная решётка - ковалентная химическая связь (полярная и неполярная в молекуле). Атомная кристаллическая решётка
Атомными называют кристаллические решётки, в узлах которых находятся отдельные атомы, соединённые ковалентными связями. Это твёрдые, очень прочные, тугоплавкие вещества без запаха, нерастворимые в воде, с высокой температурой плавления и кипения.
Простые вещества с атомной решёткой:
алмаз. Каждый атом углерода С соединён с четырьмя соседними и создаёт тетраэдрическую структуру. Прочная связь атомов углерода между собой С―С объясняет высокую твёрдость алмаза. Алмаз - это одна из аллотропных модификаций углерода.
- графит аллотропная модификация углерода (С), связь С―С
Каждый атом углерода в графите соединён прочными ковалентными связями с тремя соседними атомами, образуя плоские слои из шестиугольников. Слои слабо связаны между собой. Когда пишем графитовым карандашом - слои отслаиваются образуя черту на бумаге. «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
- кристалл кремния Si атомная кристаллическая решётка кремния подобна решётки алмаза. Каждый атом кремния в его кристаллах связан четырьмя ковалентными связями с соседними атомами. Свяь Si―Si
- красный фосфор Pn (аллотропная модификация фосфора) также имеет атомную кристаллическую решётку:
У бора (B) и германия (Ge) также атомные кристаллические решётки.
Сложные вещества с атомной решёткой (очень твёрдые, очень прочные):
- карбид кремния (карборунд) SiC (связь Si―С), карбид бора B4C;
- оксид кремния(IV) (кварц, кремнезём, кварцевый песок) SiO2 (связь Si―О)
- нитрид бора ВN, нитрид кремния Si3N4;
Для примера, структурный фрагмент атомной решётки карбида кремния (карборунда) SiC изображённый на двухмерной поверхности. В узлах такой решётки атомы кремния и углерода. И структурный фрагмент атомной решётки оксида кремния(IV) SiO2 (кварц, кремнезём, кварцевый песок)
Молекулярная кристаллическая решётка
Молекулярная кристаллическая решётка - это структура, в узлах которой находятся молекулы, связанные между собой слабым межмолекулярным взаимодействием.
Молекулярная кристаллическая решётка у многих (но не у всех!) органических веществ (кроме тех, которые содержат ион активного металла или соли аминов):
- алканы, алкены, алкины, алкадиены, арены;
- спирты, фенолы, карбоновые кислоты, амины, сложные и простые эфиры, углеводы.
Связи между молекулами в молекулярных решётках слабые, поэтому такие вещества легко переходят из твердого в жидкое и газообразное состояния (лед-вода-пар). Вещества с молекулярными решётками характеризуются:- невысокой твёрдостью и прочностью; кристаллы таких веществ непрочные и легко распадаются;
- молекулярные кристаллы в твёрдом виде, а также в растворах и расплавах не проводят электрический ток, так как не образуют ионов;
- низкими температурами плавления и кипения. Многие молекулярные вещества при комнатной температуре представляют собой жидкости и газы;
- летучесть, так как некоторые вещества с молекулярной решёткой способны переходить из твёрдого состояния сразу в газообразное минуя жидкое (такой процесс называется возгонкой). Например, «сухой лёд» - это замороженный до твёрдого состояния углекислый газ CO2. При обычных условиях «сухой лёд» переходит в газообразное состояние. К возгонке способен также кристаллический иод, который образует при этом фиолетовые пары.
Инертные (благородные) одноатомные газы: гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe), радон (Rn) не образуют двухатомных молекул, при стандартных условиях находятся в атомарном состоянии в виде газа. Но, при очень низких температурах и эти вещества можно заморозить, и они перейдут в твёрдое агрегатное состояние. В таком замороженном состоянии эти вещества характеризуются очень низкими температурами плавления и кипения. Например, температура плавления гелия (Не) ―271К, температура его кипения ―269К. В твёрдом состоянии структуры инертных одноатомных газов характеризуются свойствами молекулярных решёток.
Ионная кристаллическая решётка
Ионную кристаллическую решётку образуют все вещества с ионной связью.
В узлах такой решётки располагаются положительные и отрицательные ионы, связанные между собой электростатическим взаимодействием.
Например, ионная решётка хлорида натрия NaCl. В узлах такой решётки катионы натрия Na+ и анионы хлора Cl¯
Это твёрдые, но довольно хрупкие кристаллы, тугоплавкие вещества без запаха, большинство растворимы в воде, растворы и расплавы их проводят электрический ток за счёт ионизации.
Ионные кристаллические решётки имеют сложные вещества с ионным типом связи, такие как: бинарные вещества металлов с неметаллами (в том числе соли бескислородных кислот), соли кислородсодержащих кислот (в том числе соли аммония NH4+), гидроксиды металлов:
Органические вещества с ионной кристаллической решёткой.
Ионная кристаллическая решётка реализуется у тех органических веществ, у которых есть в составе активный металл, а также у солей аммония NH4+ (солей карбоновых кислот), а также у аминокислот, и у солей аминов.Примеры:
- соли карбоновых кислот, например: ацетат натрия, формиат калия, ацетат аммония и другие соли органических кислот;
- алкоголяты. Алкоголяты – это производные спиртов, в которых атом водорода гидроксильной группы замещён на катион металла, например: метилат калия CH3OК (алкоголят метилового спирта (метанола)); этилат натрия C2H5ONa (алкоголят этанола) и др..;
- феноляты солеобразные продукты, получаемые замещением водорода гидроксильной группы фенолов металлами, например C6H5ONa фенолят натрия:
между фенолят анионом С6Н5О－ и катионом натрия Na+ ионная связь;
- ацетилениды, и в целом производные терминальных алкинов, в которых один или оба атома водорода при тройной связи замещены на металл.
- у аминокислот ионная кристаллическая решётка. Это связано с тем, что в их молекулах карбоксильная группа взаимодействует с аминогруппой в пределах самой молекулы, и аминокислоты существуют в виде цвиттер-ионов:
Цвиттер-ион - это структура, которая являясь электронейтральной, имеет функциональные группы, несущие как отрицательный, так и положительный заряды. Вспомним из органической химии строение аминокислот:
Аминокислоты - это полифункциональные соединения, имеющие в своём составе как минимум две разные функциональные группы: одну (или более) аминогруппу ―NH2 (обуславливающую основные свойства, как у аминов), и одну (или более) карбоксильную группу ―СООН (обуславливающую кислотные свойства, как у карбоновых кислот). А взаимодействие этих разных функциональных групп и приводит к образованию цвиттер-ионов.
Наиболее часто в заданиях экзамена встречаются такие аминокислоты как: глицин, аланин, валин, серин, фенилаланин. Их структурные формулы необходимо помнить, они изучаются в курсе органической химии. Ионное строение аминокислот обусловливает некоторые их особенности: высокую температуру плавления (выше 200°С), нелетучесть, растворимость в воде и нерастворимость в неполярных органических растворителях.
Металлические кристаллические решётки. Металлическими называют решётки, которые состоят из положительных ионов и атомов металла, а между ними свободно перемещаются электроны. Такие структуры образуют вещества с металлической связью, о которой ранее было сказано более подробно. Это металлы и их сплавы. Для веществ с металлической кристаллической решёткой характерны: высокая электропроводность, высокая теплопроводность, пластичность, ковкость, «металлический блеск» (хорошая отражательная способность). «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Все вещества состоят из атомов или образованных из них ионов. Но в некоторых веществах атомы соединяются между собой в более крупные частицы, называемые молекулами.
Всё просто: вещества состоящие из молекул имеют молекулярное строение; это вещества с молекулярной кристаллической решёткой. Вещества немолекулярного строения состоят из атомов (атомная решётка) или из ионов (ионная решётка), или это металлы (металлическая решётка). Например, оксид кремния(IV) SiO2 (кремнезём) это не молекула, а вещество немолекулярного строения с атомной кристаллической решёткой. В узлах такой решётки находятся атомы кремния и кислород, связанные ковалентными полярными связями Si―O.
Химическая связь - это взаимодействие атомов, осуществляемое путём обмена или перехода электронов от одного атома к другому, или межмолекулярное взаимодействие атомов. Различают следующие виды химической связи:
Важнейшей характеристикой атома при образовании химической связи является его электроотрицательность (ЭО) - способность атома химического элемента смещать к себе (притягивать) валентные электроны другого атома в молекуле.
Существует шкала относительных атомных электроотрицательностей химических элементов, разных авторов, например, самая новая шкала профессора Оганова.
На приведённой шкале относительных атомных электроотрицательностей химических элементов только s- и p-элементы Периодической системы. «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Ступенчатая диагональ от бора (B) к астату (At) делит элементы на металлы (левый нижний угол под ступенчатой диагональю) и неметаллы (правый верхний угол над ступенчатой диагональю).
Хотя следует отметить, что элементы: B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po, At находящиеся на диагонали или возле диагонали бор (B) - астат (At) ещё называют полуметаллами (или металлоидами), по своим свойствам они занимают промежуточное положение между металлами и неметаллами. «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Как видно из шкалы, электроотрицательность у неметаллов больше, чем у металлов. Поэтому неметаллы смещают к себе электроны металлов при образовании ионной связи.
Поэтому в бинарных соединениях «металл-неметалл», у металла всегда положительная степень окисления, а у неметалла отрицательная, например, в ионных соединениях: Na+1Cl¯1, K+1Br¯1-ионный вид связи.
Если разница в электроотрицательности небольшая, например, между двумя неметаллами, то реализуется ковалентный полярный вид связи, например, в молекуле хлороводорода: Hᵟ+―Clᵟ－
Если разницы в электроотрицательности между двумя атомами в молекуле нет, то такой вид связи называют ковалентной неполярной связью, так как нет полюса, отрицательного или положительного полюса в молекуле. Например, в молекулах простых веществ неметаллов ковалентная неполярная связь: O2, Cl2, N2.
Металлическая связь реализуется в простых веществах - металлах и сплавах металлов. Атомы металлов довольно легко теряют свои валентные электроны превращаясь в катионы - положительно заряженные ионы. А потерянные атомами металлов электроны становятся общими для всего образца (например, кусочка металлической проволоки). Реализация такого состояния металла, как простого вещества, реализация металлической связи приводит к таким физическим свойствам металлов как: прочность и пластичность, электропроводность, теплопроводность, металлический блеск.
Причиной образования любой химической связи является стремление атомов к образованию системы (молекулы, кристалла, сложного иона) с устойчивым состоянием, с минимально возможным запасом энергии.
Деление химических связей на виды носит условный характер. Так, ионную связь можно рассматривать как крайний случай ковалентной полярной связи, а металлическая связь совмещает ковалентное взаимодействие атомов с помощью обобществлённых электронов и электростатическое притяжение между этими электронами и катионами металлов.
Водородная связь наиболее часто реализуется как межмолекулярное взаимодействие (между молекулами). В то время как ковалентная связь, реализуется как внутримолекулярное взаимодействие атомов внутри молекулы.
Водородная связь - это связь между атомом водорода одной молекулы и высокоэлектроотрицательным атомом другой молекулы. В качестве таковых надо запомнить три элемента: фтор (F), кислород (O), азот (N).
Обозначается водородная связь обычно тремя точками между атомом водорода одной молекулы и атомом кислорода, или фтора, или азота другой молекулы. Вот, в качестве примера, водородная связь между молекулами воды:
То есть, водородная связь - это дополнительная химическая связь между положительно поляризованным атомом водорода одной молекулы и отрицательно поляризованным атомом элемента с высокой электроотрицательностью (кислорода, или фтора, или азота) другой молекулы. Примеры и механизмы образования ковалентной связи: неполярная и полярная ковалентная связь, обменный и донорно-акцепторный механизмы её образования
Рассмотрим образование ковалентной неполярной связи в простейшей молекуле водорода Н2, из двух атомов водорода Н, по обменному механизму. «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Каждому из двух атомов водорода до завершения внешнего энергетического уровня не хватает по одному электрону. Если они получат по недостающему электрону, то завершат свой внешний энергетический уровень и приобретут устойчивую конфигурацию подобную инертному газу гелию 2He 1s2
А, как мы рассуждали ранее, причиной образования любой химической связи является стремление атомов к образованию устойчивой системы, с минимально возможным запасом энергии. Поэтому два атома водорода и будут стремиться к образованию молекулы Н2 с устойчивой, завершённой электронной конфигурацией инертного газа гелия (Нe).
При образовании молекулы водорода Н2 происходит объединение электронов двух атомов, в результате чего каждый атом водорода в молекуле приобретает конфигурацию, подобную электронной конфигурации инертного газа гелия .
При образовании ковалентной связи два атома обменялись своими электронами, поэтому такой механизм называется обменный механизм образования ковалентной связи.
Рассмотрим ещё пример: образование ковалентной неполярной связи в молекуле фтора F2.
Атом фтора на внешнем энергетическом уровне содержит семь электронов.
До завершения внешнего энергетического уровня каждому из двух атомов фтора при образовании молекулы F2 не хватает по одному электрону. Если они получат по недостающему электрону, то завершат свой внешний энергетический уровень, и приобретут устойчивую электронную конфигурацию, подобную конфигурации инертного газа неона (Ne). Каждый атом фтора F при образовании связи в молекуле F2 предоставляет по одному неспаренному электрону. Это приводит к образованию общей электронной пары, в результате атомы фтора приобретают устойчивую восьмиэлектронную конфигурацию инертного газа неона (Ne):«самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Электроны на данной схеме обозначены точками, это так называемая электронная формула Льюиса. В формуле Льюиса связь между двумя атомами показывается при помощи обозначения каждого из валентных электронов точкой.
Полярная ковалентная связь
Ковалентная связь может быть реализована не только между атомами одинаковых неметаллов, но и между атомами разных неметаллов. Тогда она будет ковалентной полярной связью. Например, ковалентная полярная связь в молекуле хлороводорода.
При соединении атомов водорода Н и хлора Cl в молекулу H―Cl каждый атом приобретает устойчивую электронную конфигурацию инертного газа:
- водород двухэлектронную, подобную конфигурации гелия (He);
- хлор восьмиэлектронную, подобную конфигурации аргона (Ar).
Но, общая электронная пара в молекуле хлороводорода смещается к более электроотрицательному атому хлора, что обозначается стрелкой
Одинарные и кратные ковалентные связи
В молекулах фтора F―F и хлороводорода H―Cl между атомами образуется одна общая электронная пара, поэтому такая связь называется одинарной. Обозначается одним валентным штрихом между атомами.
Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи
Но реализуется и другой механизм образования ковалентной связи, который называется донорно-акцепторным. В нём, атом - донор предоставляет свою электронную пару, а другой атом - акцептор принимает эту электронную пару на свою свободную электронную орбиталь (в свою свободную квантовую ячейку).
Классическим примером образования ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму является образование катиона аммония NH4+ при взаимодействии молекулы аммиака NH3 с катионом водорода Н+
В молекуле аммиака NH3 атом азота с тремя неспаренными электронами образует три ковалентные связи с тремя атомами водорода по обменному механизму.
Но, у азота остаётся неподелённая электронная пара, которую он предоставляет для образования четвёртой ковалентной связи уже по донорно-акцепторному механизму с катионом водорода, у которого есть свободная орбиталь (свободная квантовая ячейка). «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
На электронных формулах Льюиса образование катиона аммония будет выглядеть так:
Таким образом, в катионе аммония три связи образованы по обменному механизму, а четвёртая по донорно-акцепторному. Все четыре связи равноценны по своим свойствам и отличаются только механизмом образования.
Определитель к заданиям экзамена: вещества, которые имеют ковалентную НЕполярную химическую связь валентный штрих между двумя одинаковыми неметаллами.
В структурных формулах сложных веществ (неорганических и органических).
Если валентный штрих между символами одинаковых элементов, то связь ковалентная НЕполярная.
Если валентный штрих между символами разных элементов, то связь ковалентная полярная.
Определитель к заданиям экзамена: вещества, которые имеют ковалентную полярную химическую связь валентный штрих между двумя разными неметаллами. «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Химическая связь в карбидах
Карбиды - это твёрдые тугоплавкие вещества.
Карбиды классифицируют на:
- ионные (солеобразные) карбиды (углерод с активным металлом: щелочным, щелочноземельным и алюминием): Na2C2, К2C2, CaC2, BaC2, Al4C3;
- ковалентные карбиды (углерод с неметаллом): карбид кремния SiC (карборунд), карбид бора B4C.
Как уже ранее было сказано, в ковалентных карбидах (соединения углерода с неметаллами) реализуется ковалентная полярная связь.
С ионными (солеобразными) карбидами история с химической связью чуть более запутанная. Ионные карбиды делят на ацетилениды и метаниды.
Ацетилениды образуют при гидролизе газ ацетилен C2H2, к ним относят ацетиленид динатрия Na2C2, ацетиленид дикалия К2C2, ацетиленид кальция:
Ацетилениды рассматривают как солеобразные производные ацетилена, в которых один или два атома водорода замещены атомами металлов.
Ионные карбиды - метаниды образуют при гидролизе метан CH4, к ним относят:
Определитель к заданиям экзамена: вещества, которые имеют ковалентную химическую связь образованную по донорно-акцепторному механизму.
Степень окисления азота в азотной кислоте +5. Но валентность азота IV. Атом азота образует в молекуле азотной кислоты три ковалентные связи по обменному механизму и одну ковалентную связь по донорно-акцепторному механизму, азот является донором электронной пары.
Донорно-акцепторная связь в комплексных соединениях образуется между комплексообразователем (центральным ионом) и лигандами. «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Ионная химическая связь
Ионная связь – это связь между атомами, резко отличающимися по электроотрицательности:
- у одного атома она очень высокая (это типичные неметаллы: галогены, кислород, сера, азот и другие неметаллы);
- у другого атома электроотрицательность низкая (это типичные металлы: щелочные, щелочноземельные; или группа атомов в виде катиона аммония NH4+).
Ионную связь часто рассматривают как крайний случай ковалентной полярной связи, когда электрон (или электроны) практически полностью переходит от атома с меньшей электроотрицательностью к атому с большей электроотрицательностью.
Ионная связь также реализуется между катионом (К+) и анионом (А¯) солей кислородсодержащих кислот, щелочей.
Металлическая связь
Металлическая связь — это связь между положительными ионами в кристаллах металлов (в металлической кристаллической решётке), осуществляемая за счёт общих электронов, свободно перемещающихся по кристаллу металла.
Размеры атомов металлов довольно большие, поэтому их валентные электроны находятся далеко от ядра, а значит, слабо связаны с ядрами атомов и могут легко отрываться от них. В результате, в металлической кристаллической решётке атомы металлов теряют свои электроны, образуя положительно заряженные ионы и свободные электроны
Поэтому, металлы представляют собой кристаллическую структуру образованную из положительных ионов, а связь между этими ионами осуществляется за счёт большого количества электронов, перемещающихся в поле положительных ионов.
Металлическая связь, как и ионная, отличается ненаправленностью, так как валентные электроны распределены по кристаллу металла равномерно. Наличие свободно перемещающихся электронов в металлической кристаллической решётке обусловливает характерные свойства металлов: высокая электропроводность, высокая теплопроводность, пластичность, ковкость, «металлический блеск» (хорошая отражательная способность, зеркало).
Все металлы (кроме ртути) и подавляющее большинство ионных соединений при обычных условиях представляют собой кристаллические твёрдые вещества. Но твёрдые металлы проводят электрический ток, а ионные соединения в твёрдом виде — нет, так как заряженные частицы в ионных соединениях не способны перемещаться, они находятся в узлах ионной кристаллической решётки. Однако расплавы и растворы ионных соединений электропроводны, потому что они образуют ионы - заряженные частицы, в процессе своей диссоциации (ионизации).
Водородная связь. Водородная связь — это дополнительная химическая связь в виде межмолекулярного взаимодействия, возникающая между молекулами (или внутри молекулы), в которых есть сильно полярные ковалентные связи: O―H, или N―H, или F―H. «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Водородные связи могут быть и в неорганических, и в органических веществах.
Важное примечание: полярность связи С―H не достаточна для образования водородных связей между молекулами её содержащими. Поэтому органические вещества, содержащие связь С―H, но без сильно полярных ковалентных связей O―H, N―H, F―H, дополнительные водородные связи между своими молекулами не образуют.
В качестве высокоэлектроотрицательных атомов элементов, способных к образованию водородных связей, необходимо запомнить три: фтор (F), кислород (O), азот (N). Именно между одним из этой троицы высокоэлектроотрицательных атомом и менее электроотрицательным атомом водорода (Н) другой молекулы образуется дополнительная водородная связь.
Водородную связь обозначают точками между атомом водорода одной молекулы, и электроотрицательным атомом фтора (F), или кислорода (O), или азота (N) другой молекулы, например: - (межмолекулярная) водородная связь между молекулами воды:
- (межмолекулярная) водородная связь между двумя молекулами уксусной кислоты:
-(внутримолекулярная) водородная связь между гидроксогруппой ―OH и альдегидной группой ―COH в 2-гидроксибензальдегиде:
- (внутримолекулярная) водородная связь между пептидными группами в белках:
Водородная связь между пептидными группами в белках — это нековалентное взаимодействие, которое стабилизирует элементы вторичной структуры белковой молекулы. Пептидные связи полипептидной цепи содержат группы С=О...H―N, способные образовывать внутримолекулярные водородные связи.
В заданиях экзамена по химии водородную связь «необходимо увидеть», выбрать из перечня те вещества в которых она есть, или исключить из перечня те вещества , в которых её нет.
Кристаллические решётки. Кристаллическая решётка — это внутренняя структура кристалла, порядок взаимного расположения атомов, или ионов, или молекул. Точки, в которых находятся эти частицы, называются узлами решётки.
В зависимости от того, какой вид связи удерживает атомы, или ионы, или молекулы данного вещества выделяют основные типы кристаллических решёток:
- атомная (ковалентные связи);
- молекулярная (ковалентные связи между атомами в молекуле);
- металлическая (металлические связи);
- ионная (ионные связи). «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Важно! Не путайте два разных понятия — кристаллическая решётка и химическая связь! Металлическая решётка - металлическая химическая связь. Ионная решётка - ионная химическая связь. Атомная решётка - ковалентная химическая связь (полярная и неполярная). Молекулярная решётка - ковалентная химическая связь (полярная и неполярная в молекуле). Атомная кристаллическая решётка
Атомными называют кристаллические решётки, в узлах которых находятся отдельные атомы, соединённые ковалентными связями. Это твёрдые, очень прочные, тугоплавкие вещества без запаха, нерастворимые в воде, с высокой температурой плавления и кипения.
Простые вещества с атомной решёткой:
алмаз. Каждый атом углерода С соединён с четырьмя соседними и создаёт тетраэдрическую структуру. Прочная связь атомов углерода между собой С―С объясняет высокую твёрдость алмаза. Алмаз - это одна из аллотропных модификаций углерода.
- графит аллотропная модификация углерода (С), связь С―С
Каждый атом углерода в графите соединён прочными ковалентными связями с тремя соседними атомами, образуя плоские слои из шестиугольников. Слои слабо связаны между собой. Когда пишем графитовым карандашом - слои отслаиваются образуя черту на бумаге. «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
- кристалл кремния Si атомная кристаллическая решётка кремния подобна решётки алмаза. Каждый атом кремния в его кристаллах связан четырьмя ковалентными связями с соседними атомами. Свяь Si―Si
- красный фосфор Pn (аллотропная модификация фосфора) также имеет атомную кристаллическую решётку:
У бора (B) и германия (Ge) также атомные кристаллические решётки.
Сложные вещества с атомной решёткой (очень твёрдые, очень прочные):
- карбид кремния (карборунд) SiC (связь Si―С), карбид бора B4C;
- оксид кремния(IV) (кварц, кремнезём, кварцевый песок) SiO2 (связь Si―О)
- нитрид бора ВN, нитрид кремния Si3N4;
Для примера, структурный фрагмент атомной решётки карбида кремния (карборунда) SiC изображённый на двухмерной поверхности. В узлах такой решётки атомы кремния и углерода. И структурный фрагмент атомной решётки оксида кремния(IV) SiO2 (кварц, кремнезём, кварцевый песок)
Молекулярная кристаллическая решётка
Молекулярная кристаллическая решётка - это структура, в узлах которой находятся молекулы, связанные между собой слабым межмолекулярным взаимодействием.
Молекулярная кристаллическая решётка у многих (но не у всех!) органических веществ (кроме тех, которые содержат ион активного металла или соли аминов):
- алканы, алкены, алкины, алкадиены, арены;
- спирты, фенолы, карбоновые кислоты, амины, сложные и простые эфиры, углеводы.
Связи между молекулами в молекулярных решётках слабые, поэтому такие вещества легко переходят из твердого в жидкое и газообразное состояния (лед-вода-пар). Вещества с молекулярными решётками характеризуются:- невысокой твёрдостью и прочностью; кристаллы таких веществ непрочные и легко распадаются;
- молекулярные кристаллы в твёрдом виде, а также в растворах и расплавах не проводят электрический ток, так как не образуют ионов;
- низкими температурами плавления и кипения. Многие молекулярные вещества при комнатной температуре представляют собой жидкости и газы;
- летучесть, так как некоторые вещества с молекулярной решёткой способны переходить из твёрдого состояния сразу в газообразное минуя жидкое (такой процесс называется возгонкой). Например, «сухой лёд» - это замороженный до твёрдого состояния углекислый газ CO2. При обычных условиях «сухой лёд» переходит в газообразное состояние. К возгонке способен также кристаллический иод, который образует при этом фиолетовые пары.
Инертные (благородные) одноатомные газы: гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe), радон (Rn) не образуют двухатомных молекул, при стандартных условиях находятся в атомарном состоянии в виде газа. Но, при очень низких температурах и эти вещества можно заморозить, и они перейдут в твёрдое агрегатное состояние. В таком замороженном состоянии эти вещества характеризуются очень низкими температурами плавления и кипения. Например, температура плавления гелия (Не) ―271К, температура его кипения ―269К. В твёрдом состоянии структуры инертных одноатомных газов характеризуются свойствами молекулярных решёток.
Ионная кристаллическая решётка
Ионную кристаллическую решётку образуют все вещества с ионной связью.
В узлах такой решётки располагаются положительные и отрицательные ионы, связанные между собой электростатическим взаимодействием.
Например, ионная решётка хлорида натрия NaCl. В узлах такой решётки катионы натрия Na+ и анионы хлора Cl¯
Это твёрдые, но довольно хрупкие кристаллы, тугоплавкие вещества без запаха, большинство растворимы в воде, растворы и расплавы их проводят электрический ток за счёт ионизации.
Ионные кристаллические решётки имеют сложные вещества с ионным типом связи, такие как: бинарные вещества металлов с неметаллами (в том числе соли бескислородных кислот), соли кислородсодержащих кислот (в том числе соли аммония NH4+), гидроксиды металлов:
Органические вещества с ионной кристаллической решёткой.
Ионная кристаллическая решётка реализуется у тех органических веществ, у которых есть в составе активный металл, а также у солей аммония NH4+ (солей карбоновых кислот), а также у аминокислот, и у солей аминов.Примеры:
- соли карбоновых кислот, например: ацетат натрия, формиат калия, ацетат аммония и другие соли органических кислот;
- алкоголяты. Алкоголяты – это производные спиртов, в которых атом водорода гидроксильной группы замещён на катион металла, например: метилат калия CH3OК (алкоголят метилового спирта (метанола)); этилат натрия C2H5ONa (алкоголят этанола) и др..;
- феноляты солеобразные продукты, получаемые замещением водорода гидроксильной группы фенолов металлами, например C6H5ONa фенолят натрия:
между фенолят анионом С6Н5О－ и катионом натрия Na+ ионная связь;
- ацетилениды, и в целом производные терминальных алкинов, в которых один или оба атома водорода при тройной связи замещены на металл.
- у аминокислот ионная кристаллическая решётка. Это связано с тем, что в их молекулах карбоксильная группа взаимодействует с аминогруппой в пределах самой молекулы, и аминокислоты существуют в виде цвиттер-ионов:
Цвиттер-ион - это структура, которая являясь электронейтральной, имеет функциональные группы, несущие как отрицательный, так и положительный заряды. Вспомним из органической химии строение аминокислот:
Аминокислоты - это полифункциональные соединения, имеющие в своём составе как минимум две разные функциональные группы: одну (или более) аминогруппу ―NH2 (обуславливающую основные свойства, как у аминов), и одну (или более) карбоксильную группу ―СООН (обуславливающую кислотные свойства, как у карбоновых кислот). А взаимодействие этих разных функциональных групп и приводит к образованию цвиттер-ионов.
Наиболее часто в заданиях экзамена встречаются такие аминокислоты как: глицин, аланин, валин, серин, фенилаланин. Их структурные формулы необходимо помнить, они изучаются в курсе органической химии. Ионное строение аминокислот обусловливает некоторые их особенности: высокую температуру плавления (выше 200°С), нелетучесть, растворимость в воде и нерастворимость в неполярных органических растворителях.
Металлические кристаллические решётки. Металлическими называют решётки, которые состоят из положительных ионов и атомов металла, а между ними свободно перемещаются электроны. Такие структуры образуют вещества с металлической связью, о которой ранее было сказано более подробно. Это металлы и их сплавы. Для веществ с металлической кристаллической решёткой характерны: высокая электропроводность, высокая теплопроводность, пластичность, ковкость, «металлический блеск» (хорошая отражательная способность). «самоУчитель Я Химик Ум» ©В.Ю.Поляков https://chemsam.ru/
Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Все вещества состоят из атомов или образованных из них ионов. Но в некоторых веществах атомы соединяются между собой в более крупные частицы, называемые молекулами.
Всё просто: вещества состоящие из молекул имеют молекулярное строение; это вещества с молекулярной кристаллической решёткой. Вещества немолекулярного строения состоят из атомов (атомная решётка) или из ионов (ионная решётка), или это металлы (металлическая решётка). Например, оксид кремния(IV) SiO2 (кремнезём) это не молекула, а вещество немолекулярного строения с атомной кристаллической решёткой. В узлах такой решётки находятся атомы кремния и кислород, связанные ковалентными полярными связями Si―O.