Справочники / Оганесян Э.Т., Попков В.А. Химия, ЕГЭ

из атомов щелочного металла и галогена перенос электрона схематически может быть показан так:

Na0 – e– → Na+

Cl0 + e– → Cl–

Вследствие этого процесса образуются противоположно заряженные ионы, которые далее взаимодействуют друг с другом за счет электростатического притяжения.

Химическая связь, в основе которой лежит электростатическое взаимодействие ионов, называется ионной.

Для натрия характерно образование устойчивого иона Na+, обладающего электронным строением предшествующего ему благородного газа неона. У иона же хлора строение внешней оболочки соответствует конфигурации благородного газа аргона.

При образовании ионной связи все же не происходит идеально

полного перехода электронов, что служит подтверждением единой природы ковалентной и ионной связи. Поэтому ионную связь считают

предельным случаем ковалентно-полярной связи.

Экспериментально доказано, что при взаимодействии наиболее электроположительных и электроотрицательных элементов возникает связь преимущественно ионного характера.

Все устойчивые одноатомные анионы имеют электронное строение соответствующего для данного периода благородного газа, а простейшие катионы имеют электронное строение благородного газа, предшествующего данному периоду (сравните, например, Na+ и Ne, K+ и Аr и т. д.). В отличие от ковалентной ионная связь не обладает ни направленностью, ни насыщаемостью. Силы притяжения между зарядами не зависят от направления, по которому эти заряды сближаются (отсутствие направленности). Кроме того, два разноименных иона, связанные силами притяжения, не теряют своей способности взаимодействовать с ионами противоположного знака. В этом и проявляется отсутствие насыщаемости у ионной связи. Следствием этой особенности ионной связи является ассоциация всех ионов с образованием ионного кристалла, в котором каждый ион окружен ионами противоположного знака. Число ионов противоположного знака, удерживающихся данным ионом на ближайшем расстоянии, получило название координационное число данного иона. Ионы могут удерживать также и нейтральные молекулы. При большом размере катиона и малом радиусе аниона (соотношение rкат : rан > 0,73) вокруг катиона (анио-

В атомных кристаллических решетках в узлах располагаются атомы, а характер связи — ковалентный неполярный.

В молекулярных кристаллических решетках в узлах располагаются молекулы, между которыми реализуются силы межмолекулярного взаимодействия, в том числе водородные.

Ионная кристаллическая решетка состоит из ионов противоположного знака, чередующихся в узлах.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Объясните причины и приведите примеры сходства и отличия ионной

?связи от ковалентной.

2.Почему ионную связь следует рассматривать как предельный случай ковалентно-полярной связи?

3.Ковалентный или ионный тип связи характерен для следующих соединений: NaCl, SO2, KF, CO2?

4.Почему озон (трикислород) более реакционноспособный, чем дикислород?

5.Почему при растворении НСl в воде образуются ионы, хотя связь в молекуле не ионная?

6.Почему молекула Сl2 неполярна, a ICl полярна?

7.Из представленных соединений выберите такие, которые содержат только кратные связи, полярную ковалентную связь, ионную связь: CO2; C2H2; C3H6; CH3COH; NH3; SF6; CsCl; KF.

8.Какой тип связи должен быть в хлориде бария? Ответ обоснуйте.

9.Какие из перечисленных соединений водорода имеют наиболее ионный характер связи? Расположите их в ряд по убыванию степени ионности связи: LiH; NaH; KH; RbH; CsH.

10.В какой из представленных молекул преобладает ковалентно-полярная связь и почему: H2O; H2S; H2Se?

11.Определите степень ионности связи в молекулах HCl и KF. Ответ: в HCl ~ 17%; в KF ~ 83%.

12.Какова стехиометрия простейшего водородного соединения мышьяка? Какие элементы образуют аналогичные соединения и почему? Ответ обоснуйте.

§4. Металлическая связь

Ватомах элементов-металлов есть одна важная особенность: валентных электронов в них намного меньше, чем свободных орбиталей. Это создает условия для свободного перемещения электронов от атома к атому, а именно по орбиталям разных атомов одного и того же металла. Благодаря невысокой энергии ионизации атомы

металла легко теряют свои валентные электроны, превращаясь в положительные ионы, которые формируют кристаллическую решетку. Валентные электроны характеризуются высокой подвижностью (свободой движения), поэтому легко перемещаются во всем пространстве кристаллической решетки; они конкретно не принадлежат ни одному из атомов, а обобществлены, делокализованы между множеством атомов. Таким образом, внутри кристалла металла происходит непрерывное движение электронов от атома к атому. В отличие от ковалентных и ионных соединений в металлах сравнительно небольшое число электронов одновременно связывает множество атомных ядер. Это явление называется делокализацией. Поэтому в металлах химическая связь делокализована. Движение электронов хаотично, а согласованно может происходить лишь при создании разности потенциалов между точками металла. Этим и можно объяснить электрическую

проводимость металлов.

Следовательно, для металлов характерна делокализованная, т.е. мно-

гоцентровая связь, основанная на обобществлении валентных электронов, принадлежащих практически всем атомам в кристалле. Такая связь называется металлической.

Данный тип связи характерен для твердого и жидкого состояний металлов, а в газообразном атомы связаны между собой только ковалентной связью (Li2, Cu2 и т.д.).

§5. Межмолекулярное взаимодействие. Водородная связь

Существование веществ в различных агрегатных состояниях свидетельствует о том, что между частицами (атомами, ионами, молекулами) имеет место взаимодействие, обусловленное ван-дер-ваальсо- выми силами притяжения. Они названы в честь голландского физика Ван-дер-Ваальса, который предложил уравнение состояния газов, учитывающее межмолекулярное взаимодействие.

Наиболее важной и отличительной чертой ван-дер-ваальсовых сил является их универсальность, так как они действуют без исключения между всеми атомами и молекулами.

Исходя из современных представлений о строении атома, можно обосновать невозможность существования гипотетической молекулы Не2, однако это еще не говорит о том, что между атомами гелия вообще отсутствует всякое взаимодействие. Так как гелий и вообще благо-

104 ЧАСТЬ I ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ХИМИИ

родные газы удается перевести в жидкое и даже твердое состояние, то уже это свидетельствует о наличии между атомами благородных газов сил притяжения. Чрезвычайно низкие температуры, необходимые для перевода благородных газов в жидкое состояние, подтверждают, что эти силы весьма незначительны.

Существует несколько объяснений природы ван-дер-ваальсовых сил, важнейшим из которых является электростатическое взаимодействие, основывающееся на том, что, хотя атомы или молекулы в целом электронейтральны, все же в них вследствие орбитального движения электронов постоянно возникают мгновенные электрические дипольные моменты. Взаимодействие мгновенного и индуцированного дипольных моментов называется дисперсионным.

Существуют молекулы, обладающие постоянным электрическим дипольным моментом. Они могут взаимодействовать как с аналогичными молекулами, так и с неполярными, но способными к поляризации. Это явление называется ориентационным взаимодействием.

Если полярная и неполярная молекулы приходят в соприкосновение, то под влиянием полярной молекулы неполярная поляризуется и в ней возникает (индуцируется) диполь. Индуцированный диполь притягивается к постоянному диполю полярной молекулы. Такое взаимодействие называется индукционным.

Рассмотренные типы взаимодействия относятся к электростатическому взаимодействию.

Одной из разновидностей взаимодействия между полярными молекулами является водородная связь. Данная связь формируется между молекулами типа НХ, где X — F, О, N, C1, Вr, I или группа атомов, например ОН. Связь между водородом и одним из этих атомов характеризуется достаточной полярностью, поскольку связующее электронное облако смещено в сторону более электроотрицательного атома. Водород в данном случае расположен на положительном конце диполя. Два и более таких диполей взаимодействуют между собой

O—H ... O—H

HH

Водород второй молекулы стянут к кислороду третьей молекулы и т.д.:

H—O H H

H ... O—H ... O—H

Водородную связь обозначают тремя точками.

Таким образом, водородная связь — это разновидность трехцентровой связи типа X—H...B—Y, где атом Н, связанный ковалентной связью с электроотрицательным атомом X, образует дополнительную, невалентную связь с электроотрицательным атомом В другой молекулы, содержащим неподеленную электронную пару. При образовании водородной связи атом Н становится своеобразным мостиком, соединяющим два фрагмента X и B—Y. X и В — электроотрицательные атомы, чаще — О, N, F, реже — S, Cl и др.

Рассмотренный на примере воды вид водородной связи называется

межмолекулярной водородной связью.

Образование водородных связей играет важную роль как в химических, так и в биологических системах. Существование водородных связей в воде чрезвычайно важно для биологических процессов, так как свойства воды (температура кипения и кристаллизации) в значительной мере определяются наличием системы связей О–Н...О–Н. Благодаря водородным связям вода имеет температуру кипения гораздо выше, чем следовало бы ожидать по ее молекулярной массе, а температура плавления воды почти на 200 оС превышает ожидаемую на основании ее молекулярной массы.

Велико значение водородной связи и для биологических систем: формирование вторичной и третичной структур белка, комплементарность пар оснований в нуклеиновых кислотах, сольватация ионов и многое другое, без чего функционирование организма было бы невозможно.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.В чем отличия ковалентной, ионной и металлической связей? Почему

?металлическая связь выделена в особый вид?

2.Почему в металлах химическая связь делокализована?

3.В металлах возможно образование «электронного газа», а в неметаллах — нет. Почему?

4.В чем сходство и отличие водородной связи от других связей? Ответ

?обоснуйте.

5.По донорно-акцепторному механизму ковалентная связь образуется с участием неподеленной электронной пары. Можно ли считать, что водородная связь образуется по донорно-акцепторному механизму?

6.Назовите вещества, способные к образованию водородной связи.

щей электронной парой, облако которой по-разному может распределяться в пространстве относительно ядер атомов. Если электронное облако располагается симметрично между ядрами обоих атомов, то такая связь является неполярной ковалентной связью. Если электронное облако смещается в сторону более электроотрицательного атома, то происходит поляризация связи. Такая ковалентная связь называется полярной. Другой разновидностью химической связи является ионная связь, которую следует рассматривать как результат полного переноса электрона от одного атома к другому. Здесь допускается, что связь обусловлена силами электростатического притяжения между частицами противоположного заряда. В металлах между атомами осуществляется металлическая связь, характерной особенностью которой является обобществление валентных электронов множеством атомов в кристалле (делокализация).

ГЛАВА 4 ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

Изучив главу, следует знать:

классификацию химических реакций на основе различных признаков; определение скорости химической реакции и ее математическое выражение; вывод уравнения закона действующих масс; принципы смещения химического равновесия.

§ 1. Тепловой эффект химических реакций

Процесс превращения одних веществ в другие называется химической реакцией.

Разрушение и образование химических связей в веществе в ходе химической реакции сопровождаются энергетическими затратами. Тепловую энергию, затраченную (или выделившуюся) при образовании вещества, называют его энтальпией и обозначают символом Н. Таким образом, энтальпия — одна из функций состояния термодинамической системы:

H = U + pV; p = const.

Представим себе реакцию между веществами А и В, в результате которой образуются вещества С и D:

А + В = С + D.

Обозначим их энтальпии соответственно НA, НВ, НС, и НD. Меж-

ду суммой этих параметров конечных продуктов и исходных веществ обязательно должна быть разница ∆Н. Это тепловой эффект химиче-

ской реакции при постоянном давлении.

Если НС + HD < НА + НВ, то ∆Н отрицательная.

Если НС + HD > НА + НВ, то ∆Н положительная.

Реакции, сопровождающиеся выделением тепловой энергии (∆Н< 0), называются экзотермическими, а реакции, сопровождающиеся поглощением тепловой энергии (∆Н > 0), — эндотермическими. Таким образом, в экзотермической реакции энтальпия понижается и ∆Н < 0 (отрицательная величина); в эндотермической реакции энтальпия повышается и ∆Н > 0 (положительная величина).

ГЛАВА 4 Химические реакции 109

Какое количество теплоты расходуется на разложение 325 г СаСО3? Ответ: 510,25 кДж.

3.Составьте термохимическое уравнение реакции, если при взаимодействии железа массой 2,1 г и серы выделяется 3,77 кДж.

4.Используя термохимическое уравнение, приведенное в вопросе 2, рассчитайте, сколько теплоты израсходуется для получения 2 моль СаО. Ответ: 314 кДж.

5.При растворении хлорида кальция наблюдается резкое снижение температуры раствора. Объясните, является ли процесс растворения дан-

ной соли экзотермическим или эндотермическим? Каким знаком («+» или «—») следует обозначать величину ∆H?

6.Какое количество теплоты выделяется при сгорании 56 л CH4, если термохимическое уравнение имеет вид:

CH4 (г) + 2O2 (г) → CO2 (г) + 2H2O (г);

∆H = –802 кДж?

Ответ: 2005 кДж.

7.Термохимическое уравнение горения ацетилена: 2C2H2 + 5O2 → 4CO2 + 2H2O (ж) + 2610 кДж.

Теплота образования CO2 (г) = 393,5 кДж/моль; H2O (ж) = 286 кДж/ моль. Определите теплоту образования ацетилена.

Ответ: –232 кДж/моль.

§2. Скорость химических реакций

Если в сосуде смешать два объема водорода с одним объемом кислорода, то при нормальных условиях эти газы бесконечно долго могут оставаться в неизменном виде. Если же эту смесь нагревать, то по мере увеличения температуры ускоряется образование воды. Наконец, если смесь поджечь, то реакция протекает мгновенно. Взаимодействие между ионами в растворах в основном протекает очень быстро. Кинетический подход в изучении химических процессов позволяет исследовать ход реакции во времени. В связи с этим скорость любой реакции можно определить с учетом изменения концентрации реагирующих веществ за определенный отрезок времени. Изменение концентрации в молях исходных веществ или продуктов реакции в единицу времени, за которое произошло это изменение, называют

скоростью реакции.