§ 2. Химическая связь. Кристаллические решётки

Определения и обозначения

Химическая связь — это взаимодействие между частицами, благодаря которому они объединяются в более устойчивую систему. Устойчивость обычно связана с выгодным распределением валентных электронов. Основные типы связи — ковалентная, ионная и металлическая.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общую электронную пару. Если электроотрицательности атомов различаются, электронная плотность смещается к более электроотрицательному атому. Разность электроотрицательностей помогает оценить полярность ковалентной связи.

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в кристалле. Точки такого расположения называют узлами, а в узлах находятся атомы, ионы или молекулы. По решётке можно понять, почему твёрдое вещество обладает определённой прочностью, температурой плавления и электропроводностью.

Тип кристаллической решётки определяется частицами в узлах и взаимодействиями между ними. Например, в ионной решётке узлы занимают катионы и анионы, а в молекулярной — молекулы. Это понятие нужно, чтобы связать микроскопическое строение вещества с его наблюдаемыми свойствами.

Как это устроено

Атомы образуют связь, когда объединённая система оказывается устойчивее, чем раздельные атомы. При этом валентные электроны могут переходить от одного атома к другому или становиться общими. Такое перераспределение позволяет заполнить внешние электронные уровни более выгодным способом и уменьшить энергию системы.

Ковалентная связь возникает, когда два атома обобществляют электронную пару. Общие электроны притягиваются ядрами обоих атомов и удерживают их на определённом расстоянии. В молекуле H₂ атомы одинаковы по электроотрицательности, поэтому пара распределена симметрично: связь неполярная; если атомы различны, смещение пары создаёт полярную связь.

Ионная связь образуется после перехода электрона или нескольких электронов от одного атома к другому. Атом, отдавший электроны, превращается в положительный ион — катион, а принявший их становится отрицательным ионом — анионом. Электростатическое притяжение противоположных зарядов удерживает ионы, обычно образуя не отдельные молекулы, а общую кристаллическую структуру.

Металлическая связь возникает в кристалле металла, где валентные электроны сравнительно слабо удерживаются отдельными атомами. Они становятся общими для множества частиц и могут перемещаться по всему кристаллу. Положительные ионы металла притягиваются к этому электронному облаку, а подвижность электронов объясняет электропроводность и теплопроводность металлов.

Кристаллическая решётка показывает не отдельную связь, а повторяющееся строение всего кристалла. В молекулярных веществах молекулы удерживаются слабыми межмолекулярными силами, поэтому такие вещества часто легко плавятся и испаряются. В атомных решётках прочные ковалентные связи образуют непрерывную сеть, ионные решётки удерживаются силами притяжения ионов, а металлические — взаимодействием ионов с общими электронами.

Типы кристаллических решёток и свойства веществ

При работе с таблицей сначала определите частицы в узлах, а затем характер взаимодействия между ними. После этого свойства вещества можно объяснить строением, а не просто запомнить. У конкретных веществ возможны исключения, поэтому таблица показывает типичные признаки.

Разбор задач

Задача 1

Условие: Определите тип химической связи в молекуле H₂ и объясните, почему связь неполярная.

1. В молекуле участвуют два одинаковых атома водорода.
2. Они имеют одинаковую электроотрицательность, поэтому ни один атом не притягивает общую электронную пару сильнее другого.
3. Два валентных электрона становятся общей парой и распределяются между атомами симметрично.

Ответ: связь ковалентная неполярная, потому что общая электронная пара принадлежит атомам H в равной степени.

Задача 2

Условие: Укажите тип связи и тип кристаллической решётки в хлориде натрия NaCl.

1. Атом натрия легче отдаёт один валентный электрон, а атому хлора не хватает одного электрона до устойчивой внешней оболочки.
2. После перехода электрона образуются ионы Na⁺ и Cl⁻.
3. Ионы с противоположными зарядами притягиваются и в твёрдом веществе располагаются в упорядоченной структуре.

Ответ: в NaCl ионная связь, а кристаллическая решётка ионная; в её узлах находятся ионы Na⁺ и Cl⁻.

Задача 3

Условие: Вещество твёрдое, не проводит электрический ток, имеет низкую температуру плавления и состоит из отдельных молекул. Определите вероятный тип решётки.

1. Указание на отдельные молекулы сразу исключает атомную и ионную решётки, в узлах которых находятся соответственно атомы или ионы.
2. Между молекулами действуют сравнительно слабые силы, поэтому для разрушения порядка кристалла требуется немного энергии.
3. Отсутствие подвижных ионов и электронов объясняет непроводимость вещества.

Ответ: наиболее вероятна молекулярная решётка. Низкая температура плавления и отсутствие электропроводности согласуются со слабым взаимодействием между молекулами.

Типичные ошибки

Химическую связь путают с решёткой. Связь описывает взаимодействие между частицами, а решётка — их порядок в целом кристалле. Проверьте себя вопросами: «Что удерживает частицы?» и «Как они расположены?»

Любую связь между неметаллами называют ионной. Обычно атомы неметаллов образуют общие электронные пары, то есть ковалентную связь, часто полярную. Сначала определите, передаются электроны полностью или только смещается общая пара.

Ковалентную связь внутри молекулы смешивают с взаимодействием между молекулами. Внутри молекулы атомы соединены прочнее, чем отдельные молекулы в молекулярном кристалле. Для проверки разделите описание на два уровня: строение молекулы и строение вещества.

Считают, что ионное вещество проводит ток в твёрдом состоянии. В решётке ионы закреплены и не могут направленно двигаться, хотя сами заряды существуют. Вспомните, что проводимость появляется в расплаве или растворе, где ионы становятся подвижными.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, электронных оболочках и валентных электронах. Именно внешние электроны участвуют в образовании связей и определяют поведение атомов.

Электроотрицательность связана с периодическими закономерностями изменения свойств элементов. Положение элемента в периодической системе помогает сравнивать способность атомов притягивать общие электроны.

Тип связи и решётки используют при объяснении растворимости, электропроводности, твёрдости и температур плавления веществ. Эти представления также нужны для изучения химических реакций и строения материалов.

Что запомнить

• Тип связи зависит от того, как распределяются валентные электроны между частицами.
• Ковалентная связь образуется общими электронными парами.
• Ионная связь обусловлена притяжением противоположно заряженных ионов.
• Металлическая связь связана с подвижными обобществлёнными электронами.
• Тип решётки определяют частицы в её узлах и взаимодействия между ними.
• Различия в строении решёток объясняют различия физических свойств веществ.