§ 37. Электроотрицательность. Степень окисления. Строение вещества

Определения и обозначения

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары. Чем она выше, тем сильнее атом притягивает электроны в химической связи. В Периодической системе электроотрицательность обычно возрастает слева направо и уменьшается сверху вниз. Это понятие помогает предсказать, как распределены электроны между связанными атомами.

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, рассчитанный при допущении, что общие электронные пары полностью смещены к более электроотрицательному атому. Её записывают со знаком, например +1 или −2. Это не обязательно реальный заряд атома: величина нужна, чтобы учитывать условное распределение электронов. По степеням окисления составляют формулы и анализируют превращения веществ.

Полярная ковалентная связь — связь, в которой общая электронная пара смещена к одному из атомов из-за различия их электроотрицательностей. У более электроотрицательного атома появляется частичный избыток электронной плотности, а у другого — её недостаток. Связь при этом остаётся ковалентной: атомы используют общую пару электронов. Понятие полярности помогает объяснять свойства молекул и направление условного смещения электронов.

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в твёрдом веществе. В узлах решётки могут находиться молекулы, ионы или атомы, а в металлах — положительные частицы среди общих электронов. От вида частиц и связей между ними зависят твёрдость, температура плавления и электропроводность вещества. Поэтому одинаково выглядящие твёрдые тела могут обладать разными свойствами.

Как это устроено

В периоде заряд ядра атома растёт, а число электронных слоёв обычно не меняется. Поэтому ядро сильнее притягивает электроны внешнего слоя и общую электронную пару, а электроотрицательность в целом увеличивается слева направо. В группе сверху вниз добавляются электронные слои, и внешние электроны оказываются дальше от ядра. Притяжение ослабевает, поэтому электроотрицательность обычно уменьшается.

Чтобы оценить полярность связи, сравнивают электроотрицательности связанных атомов. Чем заметнее различие, тем сильнее смещена общая электронная пара к атому с большим значением. Например, в связи H—Cl электроны притягивает хлор, потому что он электроотрицательнее водорода. Если электроотрицательности одинаковы, пара распределена равномерно и ковалентная связь неполярна.

Степень окисления называют условной, потому что в реальной связи электроны не обязательно целиком переходят от одного атома к другому. Для её определения мысленно относят общую электронную пару к более электроотрицательному атому, как если бы связь была полностью ионной. Поэтому более электроотрицательный атом получает отрицательную степень окисления, а менее электроотрицательный — положительную. Такой приём позволяет единообразно описывать состав соединений и изменение электронов в реакциях.

У простого вещества, состоящего из атомов одного элемента, степень окисления равна нулю: например, у O₂ она равна 0. У одноатомного иона она совпадает с зарядом, поэтому у Na⁺ она +1, а у Cl⁻ — −1. В любой частице сумма степеней окисления всех атомов с учётом их количества равна заряду частицы. Значит, для нейтрального соединения сумма равна нулю, а для иона — его заряду.

Тип связи и способ расположения частиц вместе определяют строение вещества. Молекулярные вещества состоят из отдельных молекул, между которыми обычно действуют сравнительно слабые силы; ионные образуют решётку из противоположно заряженных ионов. В атомных веществах атомы соединены прочными ковалентными связями в общую сеть, а в металлах валентные электроны могут перемещаться между множеством частиц. Поэтому молекулярные вещества часто легкоплавкие, ионные — твёрдые и хрупкие, атомные — очень твёрдые, а металлы проводят электрический ток.

Типы химической связи и строение веществ

Сначала определите, какие частицы указаны в формуле или известны по составу вещества, затем сопоставьте их с колонкой о строении. Следующая колонка показывает, как ведут себя электроны и какой тип связи возникает. По последней колонке можно связать строение с наблюдаемыми свойствами, но помните: это характерные признаки, а не исключения для каждого вещества.

Разбор задач

Определить степени окисления элементов в NaCl и H₂O

Нужно найти степени окисления натрия и хлора в NaCl, а также водорода и кислорода в H₂O. Обе формулы обозначают нейтральные вещества, поэтому сумма степеней окисления в каждой равна нулю. Используем известные значения: у щелочного металла натрия обычно +1, у водорода в воде +1, у кислорода обычно −2.

1. В NaCl натрий имеет степень окисления +1. Для нейтрального соединения получаем +1 + x = 0, поэтому x для хлора равен −1.
2. В H₂O два атома водорода дают суммарно 2·(+1) = +2. Чтобы сумма была нулевой, степень окисления кислорода равна −2.

Ответ: в NaCl натрий имеет степень окисления +1, хлор −1. В H₂O водород имеет +1, кислород −2. Проверка: суммы равны нулю, как и должен быть суммарный заряд нейтральных частиц.

Найти степень окисления серы в H₂SO₄

В формуле серной кислоты неизвестна степень окисления серы; обозначим её x. Водород обычно имеет степень окисления +1, кислород — −2. Поскольку вся формула нейтральна, сумма значений с учётом числа атомов должна равняться нулю.

1. Записываем вклад двух атомов водорода: 2·(+1) = +2.
2. Вклад четырёх атомов кислорода равен 4·(−2) = −8, а вклад одного атома серы равен x.
3. Составляем уравнение +2 + x − 8 = 0 и находим x = +6.

Ответ: степень окисления серы в H₂SO₄ равна +6. Проверяем: +2 + 6 − 8 = 0. Если забыть умножить значения водорода и кислорода на индексы, сумма не даст правильного результата.

Сравнить строение и свойства NaCl и CO₂

Сравним, какие частицы образуют хлорид натрия и углекислый газ, и как это связано с их свойствами. Натрий и хлор сильно различаются по электроотрицательности, поэтому связь в NaCl рассматривают как ионную. В CO₂ связи между углеродом и кислородом ковалентные полярные, а вещество состоит из отдельных молекул.

1. В NaCl электроны переходят от атомов натрия к атомам хлора, образуя ионы Na⁺ и Cl⁻.
2. Ионы притягиваются и располагаются в общей ионной кристаллической решётке, а не отдельными молекулами.
3. В CO₂ атомы соединены ковалентными связями в молекулу O=C=O; между отдельными молекулами нет ионной решётки.
4. Сопоставляем строение и свойства: NaCl — твёрдый ионный кристалл, а CO₂ при обычных условиях — газ из отдельных молекул.

Ответ: NaCl имеет ионное строение, CO₂ — молекулярное. Различие в частицах и связях объясняет, почему хлорид натрия образует твёрдый кристалл, а углекислый газ при обычных условиях существует как газ. Полярность отдельных связей CO₂ сама по себе не означает, что молекула является ионной.

Типичные ошибки

Ошибка: считать степень окисления реальным зарядом любого атома. Её допускают, потому что знак и число похожи на обозначение заряда иона, хотя степень окисления получена условным расчётом. Проверьте себя: спросите, относится ли знак к отдельному иону или это результат формального распределения электронов в соединении.

Ошибка: путать степень окисления с валентностью. Степень окисления имеет знак и определяется по условному смещению электронов, а валентность показывает число связей, которые образует атом. Путаница возникает потому, что обе характеристики относятся к атомам в соединениях. Проверка: если у величины есть знак плюс или минус, это степень окисления, а не валентность.

Ошибка: определять направление смещения общей пары, не сравнив электроотрицательности. Так случается, когда опираются лишь на то, какой элемент стоит первым в формуле или как нарисована связь. Сначала найдите более электроотрицательный атом: именно к нему смещается электронная пара. Если электроотрицательности одинаковы, к одному из атомов пара не смещена.

Ошибка: считать, что формула любого вещества показывает отдельные молекулы. Это предположение подходит для молекулярных веществ, но не для ионных, атомных и металлических структур. Например, формула NaCl задаёт соотношение ионов в решётке, а не отдельную молекулу соли. Проверяйте, какой тип строения характерен для вещества, прежде чем называть его частицы молекулами.

Связь с другими темами

Для работы с электроотрицательностью и степенями окисления нужны знания о строении атома, электронных оболочках, периодическом законе и видах химической связи. Понятия пригодятся при составлении формул и уравнений реакций, классификации веществ и определении степеней окисления в окислительно-восстановительных реакциях. Связь между строением и типом связи помогает объяснять физические свойства веществ и предсказывать их поведение. Например, по наличию подвижных электронов можно понять, почему металлы проводят электрический ток.

Что запомнить

• Более электроотрицательный атом сильнее притягивает общую электронную пару.
• В периоде электроотрицательность обычно возрастает слева направо, а в группе сверху вниз обычно уменьшается.
• Степень окисления простого вещества равна нулю.
• Сумма степеней окисления атомов в нейтральном веществе равна нулю.
• Сумма степеней окисления в ионе равна заряду иона.
• Строение вещества определяется частицами, из которых оно состоит, и связями между ними.