Маругин, В..А. Неорганическая химия
.pdf4.Что такое ионная связь? Как ее изображают?
5.Что такое ковалентная связь? Как ее изображают?
6.Как распределяется электронная плотность пары электронов при образовании ковалентной связи?
7.Что такое полярная ковалентная связь?
8.Чем различаются обменный и донорно-акцепторный механизм образования химической связи?
9.Что такое водородная связь?
Природа химической связи
Природу химической связи объясняют на основании электронного строения атомов. Установлено, что электроны играют фундаментальную роль в образовании химической связи.
На внешнем энергетическом уровне атома может находиться от 1 до 8 электронов. Завершенные электронные уровни очень прочные и характерны для элементов VIIIA группы (благородных газов). У всех этих элементов на внешнем слое 8 электронов (ns2p6), исключение He (1s2), поэтому они не вступают в обычные химические реакции, не образуют обычную химическую связь.
У атомов других элементов внешние энергетические уровни незавершенные. В процессе образования молекул происходит завершение внешних уровней, что достигается присоединением электронов, отдачей электронов, или об-
разованием общих электронных пар.
Химическая связь осуществляется валентными электронами: у s- и p- элементов электронами последнего электронного уровня, у d-элементов электронами последнего электронного уровня ns- и электронами предпоследнего электронного уровня (n–1) d–электронами.
По современным представлениям химическая связь имеет электрическую природу. Различают три основных типа химических связей: ковалентную, ион-
ную и металлическую.
91
Ковалентная связь
Для каждого атома характерна величина, которую назвали электроотрицательность атома. Современное определение электроотрицательности дал американский ученый Полинг (1932):
электроотрицательность есть способность атома в молекуле притягивать к себе электроны.
В приложении 8 даны величины относительной электроотрицательности элементов. Если атомы имеют одинаковую электроотрицательность, то при образовании молекулы не происходит смещения электронов от одного атома к другому. При образовании молекулы из атомов, имеющих разную электроотрицательность, происходит смещение электронов к тому атому, который имеет большую величину электроотрицательности.
Ковалентная связь образуется при взаимодействии одинаковых атомов
(H2, Cl2, O2) или близких по своим свойствам атомов (HCl, NO, CO2).
В обоих случаях принцип образования связи один и тот же: атомы образуют общие электронные пары, которые и связывают атомы в молекулу.
При взаимодействии одинаковых атомов общие электронные пары не смещаются к какому-либо атому, и связь называется ковалентная неполярная.
Рассмотрим образование простейшей молекулы водорода H2. H + H = H2.
Атомы водорода имеют на внешнем уровне по одному электрону 1s1. Эти электроны условно можно изобразить в виде точки H•, следователь-
но, взаимодействие атомов водорода с учетом электронного строения будет происходить следующим образом:
H• +•H → H:H, или |
|
↑ |
+ |
↓ |
→ |
↑↓ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
•• |
•• |
|
При образовании молекулы O2 |
образуются две |
электронных пары |
||||||||
O :: O |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
•• |
•• |
|
|
|
|
|
|
|
• |
• |
|
|
|
и, соответственно, в молекуле азота 3 электронных пары N ::: N , или N2. |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
• |
• |
|
|
|
Каждый атом имеет устойчивую структуру, состоящую из 8 электронов.
92
В обоих случаях электронные пары принадлежат в равной степени каждому атому, смещения к одному атому нет, связь ковалентная неполярная.
При образовании молекулы из атомов сходных по своим свойствам, происходит образование общих электронных пар, но эти пары смещаются к тому атому, который имеет большую относительную электроотрицательность.
Например, в молекуле HBr связь ковалентная, но, так как атомы водорода и брома имеют разные величины относительной электроотрицательности, происходит смещение электронной пары к атому брома. Относительная электроотрицательность брома 2,74, а водорода – 2,2.
Относительная электроотрицательность уменьшается в подгруппе и увеличивается в периоде при переходе к элементу с большим номером.
При образовании ковалентной полярной связи общие электронные пары смещаются к атому, расположенному ниже в подгруппе и правее в периоде.
Пример 3. Нарисуйте электронную структуру молекулы CO2. Объясните, какая связь будет между атомами углерода и кислорода.
Решение. Электронная структура атома углерода 1s22s22p2, изобразим структуру внешнего уровня в виде :C:. Электронная структура атома кислорода
1s22s22p4, изобразим структуру внешнего уровня в виде •• :. При образовании
O
••
молекулы CO2 с одним атомом углерода соединяются два атома кислорода,
•• ••
электронная структура молекулы будет иметь следующий вид: O::C:: O.
•• ••
Каждый атом имеет устойчивую структуру, состоящую из 8 электронов. Относительная электроотрицательность углерода – 2,50, кислорода – 3,50. Общие электронные пары будут смещаться к атомам кислорода, что мож-
но показать следующим образом: |
•• |
C |
•• |
O:: |
:: O, или O← C→O. Связь между ато- |
||
|
•• |
|
•• |
мами кислорода и углерода ковалентная полярная.
Ионная связь
При образовании молекулы из атомов, резко отличающихся по величине относительной электроотрицательности, возникает ионная связь. Считается,
93
что ионная связь возникает тогда, когда разность величин электроотрицательностей больше 1,75.
Принцип образования ионной связи покажем на примере образования молекулы NaCl.
Na + Cl → NaCl.
Электронное строение атома натрия 1s22s22p63s1, на внешнем уровне один электрон, на предпоследнем – 8.
Электронное строение атома хлора 1s22s22p63s23p5, на внешнем уровне семь электронов, на предпоследнем – 8.
Взаимодействие между атомами происходит таким образом, что изменяется электронная структура. Внешний уровень должен содержать столько электронов, чтобы он стал устойчивым, а это 8 или 2. Поэтому атом натрия отдает один электрон атому хлора и превращается в заряженную частицу – ион Na+, соответственно, хлор принимает электрон и также превращается в заряженную
частицу – ион Cl : |
|
|
Na – e → Na+ (1s22s22p6), |
Cl + e → Cl (1s22s22p63s23p6). |
|
Между ионами Na+ и Cl возникают силы электростатического взаимо- |
||
действия, в результате чего образуется соединение: |
Na+ + Cl → NaCl. |
|
Ионные соединения образуют элементы IA- и IIA-подгрупп при взаимодействии с элементами VIA- и VIIA-подгрупп.
Пример 4. Напишите реакцию взаимодействия атомов кальция с атомами фтора. Объясните состав образующейся молекулы и вид химической связи.
Решение. Электронная структура атома кальция 1s22s22p63s23p64s2, атома фтора - 1s22s22p5. Относительная электроотрицательность атома кальция 1,04, атома фтора 3,98 (разность 2,94). При образовании молекулы будет происходить переход электронов от атома кальция к атому фтора.
Атом кальция отдает два электрона Ca – 2e → Ca2+ (1s22s22p63s23p6) и превращается в положительно заряженный ион Сa2+, атом фтора присоединяет один электрон F + e → F (1s22s22p6) и превращается в отрицательно заряженный ион F .
94
Между ионами Сa2+ и F возникают силы электростатического взаимодействия, в результате чего образуется соединение: Сa2+ + 2F → СaF2.
В молекуле СaF2 ионная связь.
Водородная связь
Водородная связь – особая химическая связь. Она может быть межмолекулярной и внутримолекулярной.
Межмолекулярная водородная связь возникает между молекулами, в состав которых входит водород и сильно электроотрицательный элемент (HF, H2O, СО).
Молекулы такого состава полярны, т.е. имеют дипольный момент, небольшие заряды на концах молекулы. За счет этих зарядов и происходит взаимодействие молекул. Водородная связь объясняет ассоциацию молекул, объединение молекул в один большой агрегат. Поэтому в природе существуют ас-
социаты – (HF)2, (HF)3, (H2O)2. В общем виде (HF)Х, (H2O)Х.
Водородные связи в значительной мере определяют структуру белков, нуклеиновых кислот и других биологически важных соединений.
Периодический закон Д.И.Менделеева
1.Какова современная формулировка периодического закона?
2.Что такое период?
5.Что такое группа элементов?
6.Что объединяет элементы в одну группу?
7.Что объединяет элементы в одну подгруппу?
8.Что такое энергия ионизации? Как изменяется первая энергия ионизации в зависимости от положения элемента в подгруппе? Как изменяется первая энергия ионизации в зависимости от положения элемента в периоде?
7.Что такое сродство к электрону? Как изменяется сродство к электрону при переходе от одного элемента к другому в подгруппах и периодах?
В 1869 году Д. И. Менделеев сформулировал периодический закон:
95
свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.
Одновременно Д. И. Менделеев построил периодическую систему элементов, в которой расположил элементы в определенном порядке в горизонтальных рядах - периодах и в вертикальных рядах - группах. Группы делятся на главные и побочные, их обозначают A– и В–подгруппы. В периодах располагаются элементы с различными химическими свойствами, в подгруппах – со сходными свойствами. На основании закономерностей изменения свойств элементов Д. И. Менделееву удалось предсказать существование новых химических элементов.
Учение о строении атома вскрыло глубокий физический смысл периодического закона, объяснило закономерности изменения свойств химических элементов.
В настоящее время доказано, что главной характеристикой атома является не атомная масса, а заряд ядра. Поэтому современная формулировка периодического закона такова:
свойства химических элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома.
Теория строения атома объясняет периодическое изменение свойств элементов.
Возрастание положительных зарядов атомных ядер приводит к периодическому изменению и повторению строения электронных оболочек.
Элементы одной и той же подгруппы имеют одинаковое строение внешнего энергетического уровня, а поскольку от него зависят химические свойства элементов, то свойства элементов в подгруппе являются сходными. Так, в подгруппе IА располагаются щелочные металлы, в подгруппе VIIA – галогены.
Свойства химического элемента определяются двумя величинами: энер-
гией ионизации и сродством к электрону.
96
Энергия ионизации – это энергия, необходимая для отрыва электрона от атома с образованием положительно заряженного иона. Энергия ионизации уменьшается при переходе от вышестоящего элемента в подгруппе к нижестоящему. Поэтому активность элементов в подгруппе увеличивается при переходе к атому с большим зарядом ядра. Чем меньше энергия ионизации, тем сильнее проявляются металлические свойства.
Сродство к электрону – это энергия, которая выделяется при присоединении электрона к нейтральному атому с образованием отрицательно заряженного иона.
Индивидуальные задания Пробный вариант
1.Как читается периодический закон, сформулированный Д.И. Менде-
леевым?
2.Как называется энергия, которая выделяется при присоединении электрона к нейтральному атому?
3.Напишите химический символ элемента, атом которого имеет следующую электронную структуру [Ar]3d64s2. В каком периоде, группе, подгруппе находится данный химический элемент?
4.Какой тип связи (ионная, ковалентная неполярная, ковалентная полярная, металлическая) следует предсказать для каждого из следующих соедине-
ний: O2, CO, KCl, Zn?
5. К какому атому при образовании химической связи в молекулах SO2 и PF3 смещаются общие электронные пары?
Алгоритм ответа
1.Как читается периодический закон, сформулированный Д.И. Менде-
леевым?
Решение. См. учебник.
2.Как называется энергия, которая выделяется при присоединении электрона к нейтральному атому?
Решение. См. учебник.
97
3.Напишите химический символ элемента, атом которого имеет следующую электронную структуру [Ar]3d64s2. В каком периоде, группе, подгруппе находится данный химический элемент?
Решение. Электронная структура элемента состоит из двух частей [Ar] – это 1s22s22p63s23p6 (18 электронов) и 8 электронов 3d64s2 (всего 26 электронов).
В периодической системе элементов под этим номером стоит железо Fe. Железо стоит в четвертом периоде, в VIIIB подгруппе (побочной).
4.Какой тип связи (ионная, ковалентная неполярная, ковалентная полярная, металлическая) следует предсказать для каждого из следующих соедине-
ний: O2, CO, KCl, Zn?
Решение. Молекула кислорода O2 состоит из двух одинаковых атомов, неметаллов. Следовательно, химическая связь между ними будет ковалентная неполярная. Смещения общих электронных пар к одному из атомов не будет.
Молекула оксида углерода CO состоит из двух разных атомов – неметал-
лов. Связь между ними будет ковалентная. Находим в приложении 8 величины электроотрицательности (С – 2,50, О – 3,50). Следовательно, смещение электронных пар будет в сторону кислорода, связь ковалентная полярная.
Молекула хлорида калия KCl состоит из двух атомов – металла и неметалла. Находим в приложении 8 величины электроотрицательности (Na – 0,91, Cl – 2,83). Разница в величинах электроотрицательности очень большая – 1,92.
В этом случае происходит переход электрона от одного атома к другому, от калия к хлору. Связь ионная, так как разность электроотрицательностей больше 1,75.
Молекула цинка Zn состоит из атомов металла. Связь между атомами – металлическая.
5. К какому атому при образовании химической связи в молекулах SO2 и PF3 смещаются общие электронные пары?
Решение. Молекула SO2 состоит из атомов серы и кислорода. Находим величины электроотрицательности (S – 2,60, O – 3,50). Смещение электронных пар будет к атомам кислорода.
98
Молекула PF3 состоит из атомов фосфора и фтора. Находим величины электроотрицательности (P – 2,10, F – 4,10). Смещение электронных пар будет к атомам фтора.
Вариант 1
1.Как читается периодический закон, сформулированный Д.И. Менде-
леевым?
2.Как называется энергия, которая выделяется при присоединении электрона к нейтральному атому?
3.Напишите химический символ элемента, атом которого имеет следующую электронную структуру [Ar]3d104s1. В каком периоде, группе, подгруппе находится данный химический элемент?
4.Какой тип связи (ионная, ковалентная неполярная, ковалентная полярная, металлическая) следует предсказать для каждого из следующих соединений: H2, CO2, NaCl, Cu? Покажите образование молекулы, в которой возникает ионная связь.
5. К какому атому при образовании химической связи в молекулах SO3 и PCl3 смещаются общие электронные пары? Нарисуйте электронное строение молекул.
Вариант 2
1.Современная формулировка периодического закона Д.И. Менделеева. Почему изменилась формулировка периодического закона?
2.Какое квантовое число определяет энергетический уровень электрона в атоме? Какой буквой оно обозначается? Какие значения оно может принимать?
3.Напишите химический символ элемента, атом которого имеет следующую электронную структуру [Ar]3d104s2. В каком периоде, группе, подгруппе находится данный химический элемент?
4.Какой тип связи (ионная, ковалентная неполярная, ковалентная полярная, металлическая) следует предсказать для каждого из следующих соедине-
99
ний: AlF3, SO2, P2, Ag? Покажите образование молекулы, в которой возникает ковалентная неполярная связь.
5. К какому атому при образовании химической связи в молекулах CO2 и HCl смещаются общие электронные пары? Нарисуйте электронное строение молекул.
Вариант 3
1.Какова структура периодической системы элементов?
2.Какое квантовое число характеризует пространственную форму электронного облака? Какой буквой оно обозначается? Какие значения оно может принимать?
3.Напишите химический символ элемента, атом которого имеет следующую электронную структуру [Ar]3d54s2. В каком периоде, группе, подгруппе находится данный химический элемент?
4.Какой тип связи (ионная, ковалентная неполярная, ковалентная полярная, металлическая) следует предсказать для каждого из следующих соединений: MgCl2, HBr, N2, Au? Покажите образование молекулы, в которой возникает ковалентная полярная связь.
5.К какому атому при образовании химической связи в молекулах PCl3 и CS2 смещаются общие электронные пары? Нарисуйте электронное строение молекул.
Вариант 4
1.Как изменяются химические свойства элементов в зависимости от положения элемента в подгруппе?
2.Что показывает спиновое квантовое число? Какие значения оно может принимать?
3.Напишите химический символ элемента, атом которого имеет следующую электронную структуру [Ar]3d44s1. В каком периоде, группе, подгруппе находится данный химический элемент?
100