Тема 6. Строение вещества

Определения и обозначения

Химическая связь — взаимодействие, которое удерживает атомы или ионы вместе в частице либо структуре. Оно возникает из-за действия электрических сил между ядрами и электронами. Связанная система обычно устойчивее отдельных частиц, потому что её энергия ниже. Это понятие помогает объяснить, почему атомы объединяются и какую структуру образует вещество.

Ковалентная связь — связь, возникающая благодаря общей для двух атомов электронной паре. Если атомы притягивают эту пару примерно одинаково, связь неполярная; если один притягивает сильнее, она полярная. В первом случае электронная плотность распределена почти равномерно, во втором смещена к более электроотрицательному атому. Различие помогает предсказывать распределение зарядов в молекулах.

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в кристаллическом веществе. В узлах решётки могут находиться молекулы, ионы или атомные остовы, а характер частиц зависит от строения вещества. Например, в кристалле поваренной соли узлы заняты ионами, а в твёрдом йоде — молекулами I₂. Тип решётки нужен, чтобы связывать строение твёрдого тела с его свойствами.

Межмолекулярное взаимодействие — притяжение или отталкивание между отдельными молекулами. Оно не соединяет атомы внутри молекулы, но влияет на то, насколько легко молекулы расходятся. Чем сильнее притяжение между ними, тем больше энергии обычно нужно для плавления или кипения вещества. Поэтому это понятие помогает объяснять свойства молекулярных веществ.

Как это устроено

Связь возникает не потому, что атомы просто соприкасаются, а вследствие взаимодействия их электронных оболочек. Отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительно заряженным ядрам, и одновременно одноимённо заряженные части отталкиваются. При подходящем расстоянии притяжение и отталкивание уравновешиваются, а энергия системы оказывается ниже, чем у раздельных атомов. Такое состояние устойчиво, поэтому для разрыва связи требуется энергия.

В ковалентной связи электронная пара принадлежит сразу двум атомам, но распределена не всегда одинаково. Электроотрицательность показывает, насколько сильно атом притягивает общие электроны. Если электроотрицательности равны или близки, электронная плотность смещена мало и связь называют неполярной. При заметной разнице она смещается к более электроотрицательному атому, поэтому возникают частичные заряды и полярная связь.

Ионная и металлическая связи отличаются тем, как ведут себя электроны. При образовании ионного вещества атомы передают или принимают электроны, превращаясь в положительные и отрицательные ионы, которые притягиваются друг к другу. В металле электроны внешних оболочек не закреплены за одной парой атомов, а становятся общими и могут перемещаться по кристаллу. Поэтому ионную связь описывают через притяжение ионов, а металлическую — через взаимодействие положительных атомных остовов с подвижными электронами.

Тип связи влияет на то, какие структурные единицы образуют вещество. В молекулярных веществах ковалентные связи удерживают атомы внутри отдельных молекул, а между молекулами действуют более слабые взаимодействия. В ионных и металлических кристаллах нельзя выделить отдельные молекулы: частицы формируют протяжённую структуру. Из-за этого одной формулы состава недостаточно, чтобы понять строение и свойства вещества.

Свойства твёрдого вещества зависят от частиц в узлах решётки, силы их взаимодействия и возможности перемещения. Прочные связи между частицами обычно затрудняют разрушение кристалла, а слабое притяжение между молекулами позволяет молекулярным кристаллам легче плавиться. Электропроводность появляется, когда в веществе есть подвижные заряженные частицы: в металле это электроны, в расплаве или растворе соли — ионы. В твёрдом ионном кристалле ионы удерживаются на местах, поэтому обычно не проводят ток.

Типы химической связи и строение вещества

Сравнивайте столбцы по механизму образования связи и по подвижности электронов: это позволяет объяснить различия в проводимости. Строка о структурных единицах показывает, образует ли вещество отдельные молекулы или протяжённую решётку. Свойства в таблице типичны, но для точного вывода учитывайте строение конкретного вещества.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какая связь образуется между атомами в молекуле HCl, и укажите, полярна ли она. Нужно сравнить электроотрицательности водорода и хлора. Затем установите, куда смещена общая электронная пара.

1. Водород и хлор образуют общую электронную пару, значит связь между ними ковалентная.
2. Хлор электроотрицательнее водорода, поэтому притягивает общую пару сильнее. Электронная плотность смещается к атому хлора.
3. Из-за неравномерного распределения электронной плотности связь является полярной. На атоме хлора возникает частичный отрицательный заряд, а на атоме водорода — частичный положительный.

Ответ: связь H–Cl ковалентная полярная. При решении важно не смешивать частичные заряды с образованием ионов: электронная пара остаётся общей, хотя и смещается к хлору.

Задача 2. Сопоставьте строение твёрдых веществ NaCl и I₂: укажите частицы в узлах решёток и объясните различие их свойств. Сначала определите, состоит ли кристалл из молекул или ионов. Затем свяжите частицы и взаимодействия с характерными свойствами твёрдых веществ.

1. В NaCl в узлах решётки находятся ионы Na⁺ и Cl⁻. Их удерживает электростатическое притяжение, поэтому соль образует ионный кристалл.
2. В твёрдом I₂ узлы решётки заняты молекулами I₂. Внутри молекулы атомы связаны ковалентно, а между молекулами действуют межмолекулярные силы.
3. В ионной решётке притяжение между заряженными частицами сильное, поэтому кристалл твёрдый и обычно плавится при высокой температуре. Молекулярный кристалл йода удерживается более слабыми межмолекулярными взаимодействиями, поэтому его свойства отличаются; при нагревании йод легко переходит в пар.

Ответ: NaCl имеет ионную решётку с ионами в узлах, а I₂ — молекулярную решётку с молекулами в узлах. Отличия объясняются не только составом, но и характером взаимодействия между структурными единицами.

Задача 3. Вещество твёрдое, проводит электрический ток в твёрдом состоянии и пластично. Предположите тип связи и строение вещества, обоснуйте ответ. Здесь нужно использовать сразу несколько признаков, а не делать вывод по одному свойству. Сравните их с характерными свойствами ионных и металлических веществ.

1. Электропроводность твёрдого вещества указывает на наличие подвижных заряженных частиц. В металлическом кристалле такими частицами служат общие электроны.
2. Пластичность также согласуется с металлическим строением: при смещении слоёв атомных остовов подвижные электроны продолжают удерживать структуру.
3. Следовательно, наиболее вероятна металлическая связь и металлическая кристаллическая решётка. Для типичного твёрдого ионного вещества вывод был бы другим: его ионы закреплены в узлах, а кристалл обычно хрупок.

Ответ: вероятнее всего, это металл с металлической связью и решёткой. Вывод основан на сочетании электропроводности в твёрдом состоянии и пластичности.

Типичные ошибки

Полярную ковалентную и ионную связь иногда считают механизмами, не имеющими ничего общего. Так происходит, если полярность сводят только к наличию или отсутствию зарядов, хотя распределение электронной плотности может изменяться постепенно. Чтобы проверить себя, спроси, сохраняется ли общая электронная пара или электроны перешли к другому атому. При ковалентной связи пара остаётся общей, даже если она сильно смещена.

Другая ошибка — путать связь внутри молекулы с взаимодействием между молекулами. Учащиеся видят, что вещество состоит из молекул, и объясняют температуру кипения прочностью связи между атомами внутри каждой из них. Проверяй, что именно разрушается или преодолевается при переходе вещества в жидкость или газ: молекулы обычно сохраняются, а меняется расстояние между ними. Значит, здесь важны межмолекулярные взаимодействия.

Неверно называть все твёрдые вещества кристаллическими. Так можно ошибиться, если считать твёрдое состояние достаточным признаком упорядоченной решётки. Кристалл имеет упорядоченное расположение частиц, а в аморфном теле нет дальнего порядка. Проверяй не только агрегатное состояние, но и наличие упорядоченной структуры.

Нельзя надёжно предсказывать свойства только по химической формуле. Одинаковые или похожие по составу вещества могут различаться типом решётки, расположением частиц и их подвижностью. Если вывод о проводимости или твёрдости сделан лишь по набору атомов, проверь, известны ли тебе структура и тип связи. Для объяснения свойств учитывай оба фактора: состав и строение.

Связь с другими темами

Чтобы понять строение вещества, нужны знания об атоме, электронных оболочках и валентных электронах. Электроотрицательность помогает сравнить, насколько сильно атомы притягивают общую электронную пару, и предсказать полярность ковалентной связи. Без этих понятий трудно объяснить, почему электронная плотность распределяется неодинаково. Они также помогают описывать образование ионов.

Представления о связи и решётках помогают объяснять физические свойства веществ, их растворимость и электропроводность. Они связаны и с химическими реакциями: строение частиц влияет на то, как вещества взаимодействуют и какие связи могут измениться. При решении задач учитывай одновременно состав, тип связи и условия, в которых находится вещество. Тогда объяснение будет опираться на строение, а не только на запоминание отдельных свойств.

Что запомнить

• Химическая связь обусловлена взаимодействием электронных оболочек и ядер атомов.
• Ковалентная связь возникает за счёт общих электронных пар.
• Полярность ковалентной связи зависит от различия электроотрицательностей атомов.
• В ионных веществах притяжение действует между разноимённо заряженными ионами.
• Металлическая связь связана с общими подвижными электронами.
• Свойства твёрдого вещества зависят от частиц в узлах решётки и взаимодействия между ними.