Раздел II. Химическая статика (учение о веществе)

Определения и обозначения

Химическая связь — взаимодействие между частицами, которое удерживает их вместе. Она возникает благодаря притяжению ядер и электронов и перераспределению валентных электронов. Это понятие нужно, чтобы объяснить образование молекул, ионов и прочных структур.

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц вещества в пространстве. В её узлах находятся атомы, молекулы или ионы, а между ними действуют определённые силы. По виду решётки можно предсказать многие физические свойства вещества.

Кристаллическое вещество — вещество, в котором частицы сохраняют дальний порядок, то есть закономерное расположение повторяется на больших расстояниях. Поэтому кристаллы имеют определённую геометрическую форму и обычно плавятся при постоянной температуре. Строение кристалла помогает понять его твёрдость, хрупкость и электропроводность.

Аморфное вещество — вещество, в котором нет дальнего порядка расположения частиц. Ближние соседи взаимодействуют, но общая структура не повторяется регулярно во всём образце. Поэтому аморфные тела не имеют правильной формы кристалла и обычно постепенно размягчаются при нагревании.

Как это устроено

Атомы образуют химические связи потому, что связанная система обычно имеет меньшую энергию и большую устойчивость, чем отдельные частицы. В образовании связи участвуют прежде всего валентные электроны, расположенные на внешнем уровне. Атомы могут обобществлять электроны, отдавать их или принимать, стремясь к более выгодному электронному состоянию.

Если электроны образуют общие пары, возникает ковалентная связь, а совокупность связанных атомов может существовать как молекула или атомная сеть. При небольшой разнице электроотрицательностей электронная пара остаётся общей, но смещается к более электроотрицательному атому. При большой разнице электрон в значительной степени переходит к одному атому, и притяжение ионов создаёт ионную связь.

Различия в частицах и связях приводят к четырём основным типам строения. В молекулярном веществе самостоятельными частицами являются молекулы, в атомном — атомы, соединённые прочной сетью, в ионном — положительные и отрицательные ионы, а в металлическом — частицы металла и обобществлённые подвижные электроны. Поэтому одинаковое агрегатное состояние ещё не означает одинаковое внутреннее устройство.

Тип связи определяет устройство решётки, потому что частицы располагаются так, чтобы притяжение было максимальным, а отталкивание — минимальным. В ионном кристалле каждый ион окружён ионами противоположного знака, в атомном кристалле атомы образуют непрерывную сеть ковалентных связей. В металлической решётке частицы удерживаются металлической связью, а в молекулярной решётке молекулы соединяются более слабыми межмолекулярными взаимодействиями.

Из строения следуют свойства вещества. Прочные связи требуют больших затрат энергии для разрушения, поэтому атомные и многие ионные кристаллы имеют высокие температуры плавления, а молекулярные вещества плавятся легче. Свободные электроны обеспечивают проводимость металлов, подвижные ионы — проводимость расплавов и растворов, а неподвижные ионы твёрдого кристалла ток не проводят. Растворимость также зависит от того, насколько взаимодействия частиц растворителя способны компенсировать разрушение исходной структуры.

Строение вещества и его характерные свойства

Сначала определите частицы в узлах, затем установите, какие силы их удерживают. После этого можно связать прочность взаимодействий и подвижность частиц с температурой плавления, твёрдостью и электропроводностью.

Аморфный тип в таблице описывает не отдельную химическую связь, а отсутствие дальнего порядка. Поэтому у аморфных веществ свойства зависят от конкретного состава и способа образования.

Разбор задач

1. Полярность связи в HCl

Условие: определите тип химической связи в молекуле HCl и укажите, к какому атому смещена общая электронная пара. Нужно сравнить электроотрицательности водорода и хлора. Затем следует решить, остаётся ли пара общей и насколько равномерно она распределена.

1. Атомы H и Cl образуют одну общую электронную пару, значит, связь ковалентная.
2. Электроотрицательность хлора выше, чем у водорода, поэтому хлор сильнее притягивает общие электроны.
3. Пара смещается к Cl, на атомах возникают частичные заряды: Hδ+ и Clδ−.

Ответ: связь в HCl ковалентная полярная. Общая электронная пара смещена к атому хлора, но полностью между атомами не переходит.

2. Электропроводность NaCl

Условие: установите тип кристаллической решётки хлорида натрия и предскажите его электропроводность в твёрдом состоянии и расплаве. Формула показывает наличие ионов Na+ и Cl−, расположенных в определённом порядке. Нужно учитывать не только заряд частиц, но и возможность их перемещения.

1. NaCl имеет ионную решётку: в узлах находятся Na+ и Cl−.
2. В твёрдом кристалле ионы закреплены силами притяжения, поэтому направленного движения зарядов нет.
3. При плавлении решётка разрушается, и ионы становятся подвижными, перенося электрический заряд.

Ответ: твёрдый NaCl ток не проводит. Расплав NaCl проводит электрический ток благодаря движению ионов.

3. Алмаз, йод и медь

Условие: определите тип строения алмаза, йода и меди и объясните различия в твёрдости, температуре плавления и электропроводности. Сопоставьте частицы в узлах с характером связи. Такой порядок позволяет не заучивать свойства по отдельности, а вывести их из строения.

1. Алмаз имеет атомное строение: атомы углерода соединены прочными ковалентными связями в пространственной сети.
2. Йод имеет молекулярное строение: молекулы I₂ удерживаются сравнительно слабыми межмолекулярными силами.
3. Медь имеет металлическое строение, поэтому её электроны подвижны, а связь допускает смещение слоёв частиц.
4. Алмаз очень твёрдый и тугоплавкий, но электрический ток практически не проводит; йод мягче, легче плавится и не проводит ток; медь хорошо проводит ток, пластична и плавится при температуре, характерной для металлов.

Ответ: алмаз — атомное, йод — молекулярное, медь — металлическое строение. Прочность ковалентной сети делает алмаз самым твёрдым из этих веществ, слабые межмолекулярные силы объясняют свойства йода, а свободные электроны — проводимость меди.

Типичные ошибки

Ошибка — считать химическую связь и кристаллическую решётку одним и тем же. Связь описывает взаимодействие частиц, а решётка — их пространственное расположение; проверка проста: спросите отдельно «что удерживает?» и «как расположено?».

Ошибка — называть любую связь между атомами неполярной ковалентной. Если электроотрицательности различаются, общая пара смещается к одному атому; сравните электроотрицательности перед определением полярности.

Ошибка — приписывать ионным веществам электропроводность в твёрдом состоянии. Ионы есть, но они закреплены в узлах; проверьте, могут ли носители заряда перемещаться.

Ошибка — определять свойства только по химической формуле. Одинаковый состав не раскрывает тип частиц и строение, поэтому учитывайте связь, решётку и агрегатное состояние.

Связь с другими темами

Для понимания химической связи нужны знания о строении атома, электронных конфигурациях, валентных электронах и электроотрицательности. Эти сведения помогают объяснить, почему атомы образуют разные типы соединений.

Представления о связи и строении вещества используются при изучении химических свойств, растворимости и агрегатных состояний. Они также помогают объяснять, почему реакции идут в определённых направлениях и как на них влияют условия.

Что запомнить

• Строение вещества определяется составом частиц и взаимодействиями между ними.
• Тип химической связи зависит от электронного строения атомов и различия их электроотрицательностей.
• Тип решётки связан с тем, какие частицы находятся в её узлах.
• Физические свойства вещества во многом определяются его внутренним строением.
• В твёрдом ионном веществе ионы закреплены в узлах решётки; в расплаве они подвижны.
• Кристаллические вещества имеют дальний порядок, аморфные — не имеют.