§ 4. Химическая связь. Агрегатные состояния

Определения и обозначения

Химическая связь — взаимодействие атомов, удерживающее их в молекуле, ионе или кристалле. Общую электронную пару изображают чертой между атомами, например H—H, а заряд иона — знаком справа сверху: Na⁺ или Cl⁻. Эти обозначения помогают увидеть, какие частицы соединены и как распределён заряд.

Ковалентная связь образуется общей электронной парой. Если атомы притягивают пару одинаково, связь неполярная, как в H₂; если по-разному — полярная, как в HCl: электронная плотность смещена к хлору. Частичные заряды обозначают δ− и δ+, чтобы отличать смещение общей пары от полного заряда иона.

Ионная связь — электростатическое притяжение противоположно заряженных ионов, образовавшихся при переходе электронов от одного атома к другому. Например, в NaCl натрий отдаёт электрон и становится Na⁺, а хлор принимает его и становится Cl⁻. Определение помогает отличать взаимодействие уже образовавшихся ионов от общей электронной пары.

Металлическая связь — притяжение положительных ионов металла и обобществлённых подвижных электронов. Эти электроны не принадлежат одной конкретной паре атомов и могут перемещаться по всему кристаллу. Такой способ связи объясняет характерные свойства металлов, в частности электропроводность.

Как это устроено

Атомы образуют связи потому, что при взаимодействии их электронных оболочек энергия системы обычно становится ниже, чем у раздельных атомов. Меньшая энергия означает более устойчивое состояние. При этом часто получается электронная конфигурация внешнего слоя, близкая к устойчивой конфигурации благородного газа, хотя стремление к ней не следует понимать как буквальную цель атома. Именно энергетический выигрыш позволяет частицам сохранять связь.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электроны связи. Когда электроотрицательности атомов одинаковы или близки, электронная пара распределена почти поровну; заметная разность приводит к её смещению. Более электроотрицательный атом получает частичный заряд δ−, а второй — δ+. Чем сильнее смещение, тем полярнее связь, но одно лишь смещение не означает, что электрон полностью перешёл к другому атому.

При ковалентной связи атомы используют общую электронную пару, при ионной электрон переходит, и возникают противоположно заряженные частицы, а при металлической электроны становятся общими для множества атомов. Поэтому механизмы различаются: совместное использование, образование ионов или коллективное притяжение электронов и положительных ионов. В реальных веществах взаимодействия не всегда укладываются в строгие категории: связь с сильным смещением электронной плотности может иметь и ковалентные, и ионные черты. Название типа связи указывает на преобладающий характер взаимодействия.

Агрегатное состояние определяется тем, насколько межчастичное притяжение способно ограничивать движение частиц по сравнению с их тепловым движением. В твёрдом теле частицы удерживаются около определённых положений и лишь колеблются; поэтому вещество сохраняет форму. В жидкости притяжение удерживает частицы рядом, но позволяет им перемещаться друг относительно друга, и жидкость принимает форму сосуда. В газе тепловое движение преодолевает влияние притяжения на больших расстояниях, поэтому газ заполняет доступный объём.

В кристаллической решётке частицы расположены закономерно, а свойства зависят от того, что находится в её узлах и насколько прочно частицы связаны. Ионная решётка удерживается притяжением зарядов: такие кристаллы часто твёрдые, хрупкие и имеют высокие температуры плавления. Смещение слоёв может сблизить одноимённо заряженные ионы, вызвать отталкивание и разрушение кристалла. В металлической решётке электроны подвижны, поэтому металл проводит ток; ковалентные вещества могут образовывать как молекулярные кристаллы с относительно слабым притяжением между молекулами, так и прочные атомные сетки.

Типы химической связи и свойства веществ

Таблица показывает типичные признаки, а не универсальные правила без исключений. Сначала определите частицы и способ их взаимодействия, затем сопоставьте с решёткой и свойствами. Для объяснения конкретного вещества учитывайте его строение, а не только название связи.

Разбор задач

Задача 1. Определите тип химической связи в веществах H₂, HCl, NaCl и Cu и укажите частицы, участвующие в её образовании.

1. В H₂ соединены два одинаковых атома водорода. Их электроотрицательности равны, поэтому общая пара распределена поровну: связь ковалентная неполярная.
2. В HCl участвуют атомы водорода и хлора. Хлор сильнее притягивает общую электронную пару, поэтому связь ковалентная полярная: Hδ+—Clδ−.
3. В NaCl натрий отдаёт электрон хлору. Возникают Na⁺ и Cl⁻, притяжение которых образует ионную связь; в кристалле взаимодействуют ионы, а не отдельные пары атомов.
4. В Cu положительные ионы металла притягиваются к подвижным обобществлённым электронам. Это металлическая связь.

Ответ: H₂ — неполярная ковалентная связь между атомами H; HCl — полярная ковалентная между H и Cl; NaCl — ионная между Na⁺ и Cl⁻; Cu — металлическая между положительными ионами и подвижными электронами.

Задача 2. Сравните алмаз, поваренную соль и медь по связи, решётке, твёрдости и электропроводности.

1. В алмазе атомы углерода связаны ковалентными связями в прочную атомную решётку. Поэтому алмаз очень твёрдый, но свободных носителей заряда в нём практически нет и ток он не проводит.
2. Поваренная соль состоит из ионов Na⁺ и Cl⁻, расположенных в ионной решётке. Кристалл твёрдый и хрупкий, в твёрдом состоянии ток не проводит; при плавлении или растворении ионы становятся подвижными.
3. Медь имеет металлическую решётку с подвижными электронами. Они обеспечивают электропроводность; слои частиц могут смещаться без немедленного разрушения структуры, поэтому медь пластична.

Ответ: алмаз — твёрдая непроводящая атомная ковалентная решётка; NaCl — хрупкая ионная решётка, проводящая ток в расплаве и растворе; Cu — металлическая решётка, проводящая ток в твёрдом состоянии.

Задача 3. Твёрдое вещество имеет высокую температуру плавления, хрупко, растворяется в воде, не проводит ток в твёрдом состоянии, но проводит в расплаве и растворе. Определите тип связи и объясните свойства.

1. Отсутствие проводимости в твёрдом состоянии означает, что в кристалле нет подвижных носителей заряда. Высокая температура плавления указывает на сильное взаимодействие частиц.
2. Хрупкость и растворимость в воде вместе с проводимостью расплава и раствора характерны для вещества, состоящего из ионов. Вода разделяет ионы и помогает им перемещаться.
3. В твёрдом кристалле ионы закреплены в узлах решётки, поэтому ток не проходит. В расплаве и растворе ионы движутся и переносят заряд; смещение слоёв в кристалле может привести к отталкиванию одноимённых зарядов и раскалыванию.

Ответ: наиболее вероятно ионное вещество с ионной кристаллической решёткой.

Типичные ошибки

Неверно считать, что ионная связь возникает просто потому, что в веществе есть металл и неметалл. Нужно проследить переход электронов и убедиться, что образуются противоположно заряженные ионы, притягивающиеся друг к другу. Проверка: запишите, кто отдаёт и кто принимает электрон, и укажите заряды частиц.

Смещение общей пары в полярной ковалентной связи часто принимают за полный переход электрона. Причина в том, что и там, и там распределение электронов неодинаково, но смещение само по себе не создаёт отдельных ионов с полными зарядами. Проверка: если пара остаётся общей и указаны δ+ и δ−, связь полярная ковалентная; если образуются ионы с зарядами, рассматривают ионную.

Утверждение, что все ковалентные вещества плавятся при низкой температуре, неверно: ковалентная связь встречается в веществах с разным строением. В молекулярной решётке при плавлении преодолеваются сравнительно слабые взаимодействия между молекулами, а в атомной нужно разрушать прочную сеть связей. Проверка: выясните, образовано ли твёрдое вещество отдельными молекулами или непрерывной атомной решёткой.

Твёрдую соль иногда называют проводником, потому что её растворы и расплавы проводят ток. В кристалле ионы закреплены на местах и не могут переносить заряд, тогда как после плавления или растворения становятся подвижными. Проверка: уточните агрегатное состояние вещества и наличие подвижных носителей заряда.

Связь с другими темами

Для понимания темы понадобятся знания о строении атома, электронных конфигурациях и валентных электронах. Периодический закон помогает сравнивать свойства элементов, а понятие электроотрицательности — оценивать распределение электронной пары. Эти сведения нужны, чтобы объяснять формулы и свойства неорганических и органических веществ, их реакционную способность и растворимость. Представления о частицах и решётках пригодятся при изучении агрегатных состояний, фазовых переходов, растворов и электролитической диссоциации.

Что запомнить

• Химическая связь возникает потому, что связанное состояние системы энергетически выгоднее.
• Ковалентная связь образуется общей электронной парой.
• Ионная связь — это притяжение противоположно заряженных ионов.
• Металлическая связь связана с обобществлёнными подвижными электронами.
• Полярность ковалентной связи определяется различием электроотрицательностей атомов.
• Агрегатное состояние зависит от соотношения энергии межчастичного взаимодействия и теплового движения.
• Свойства вещества определяются не только составом, но и строением его частиц и кристаллической решётки.