Занятие 3. Строение молекул.

Программа: Виды химической связи. Электроотрицательность и степень окисления, полярность связей.

Гибридизация орбиталей, форма и полярность молекул.



- и



- связи, особенности их образования и

свойств. Кристаллические решетки.

2.1 Химическая связь: ковалентная (полярная и неполярная), ионная, металлическая, водородная.

2.2 Способы образования ковалентной связи. Характеристики ковалентной связи: длина и энергия

связи. Образование ионной связи.

2.3 Электроотрицательность. Степень окисления и валентность химических элементов.

2.4 Вещества

молекулярного

и

немолекулярного

строения.

Зависимость

свойств

веществ

от

особенностей их кристаллической решетки.

Теоретическая часть.

Виды химической связи.

Электроотрицательность и степень окисления, полярность связей.

1.Ковалентная связь

– наиболее общий вид химической связи, возникающий за

счет обобществления электронной пары посредством

обменного механизма,

когда каждый

из взаимодействующих атомов поставляет по одному электрону, или

по донорно-

акцепторному механизму,

если электронная пара передается в общее пользование одним

атомом (донором) другому атому (акцептору).

Электроотрицательность

- способность атома притягивать электроны при

образовании химической связи. Таким образом, электрон сместится к атому того элемента,

который имеет большую электроотрицательность.

Рассмотрим три случая для двух атомов А и В, образующих связь:

А



В

1) ЭО (А) = ЭО(В)(разность электроотрицательностей равна нулю). Общая электронная пара

не смещена ни к одному из атомов. Не возникает ПОЛЮСОВ, электронная плотность у обоих

атомов одинакова.

Это

НЕПОЛЯРНАЯ

ковалентная связь.

Классический пример неполярной ковалентной связи наблюдается у двухатомных простых

веществ: H–H, F–F.

2) ЭО (А) > ЭО(В).

При образовании ковалентной связи электронная пара смещена к более

электроотрицательному атому А, на нём возникает частичный отрицательный заряд, а на В –

частичный положительный. Такая связь называется ковалентной

ПОЛЯРНОЙ.

Такой тип связи характерен для большинства молекул, состоящих из двух и более

неметаллов (HCl, H

2

O, СН

3

СООН).

3) ЭО (А) >> ЭО(В).

Разность электроотрицательностей настолько велика, что образовавшаяся электронная пара

полностью принадлежит более электроотрицательному атому А, который теперь имеет заряд -

1. Атом с меньшей электроотрицательностью В приобретает положительный заряд. Такая связь

называется

ИОННОЙ.

Ионная связь – частный случай ковалентной. Она характерна для соединений металлов с

неметаллами, оксидов металлов, оснований и солей. Ионные соединения образуют резко

различные по величине электроотрицательности элементы главных подгрупп I и II редко III

групп и главных подгрупп VI и VII групп. Ионных соединений сравнительно немного.

Например неорганические соли: NH

4

Cl (ион аммония NH

4

+

и ион хлора Cl

-

), а также

солеобразные органические соединения: алкоголяты соли карбоновых кислот, соли аминов

Неполярная ковалентная связь и ионная связь — два предельных случая распределения

электронной плотности. Неполярной связи отвечает равномерное распределение связующего

двух электронного облака между одинаковыми атомами. Наоборот, при ионной связи

связующие электронное облако практически полностью принадлежит одному из атомов. В

большинстве же соединений химические связи оказывают промежуточными между этими

видами связи, то есть в них осуществляется полярная ковалентная связь.

В ионном кристалле нет молекул. Каждый ион окружен ионами другого знака.

2. Металлическая связь

возникает в простых веществах -металлов между

положительно заряженными ионами металла и свободно движущимися электронами

(«электронный газ»). Наличие такого свободного движения электронов является причиной

хорошей тепло- и электропроводности металлов.

Атомы металлов отличаются от атомов других элементов тем,

что сравнительно слабо удерживают свои внешние электроны. Поэтому эти электроны

покидают свои атомы, превращая их в положительно заряженные ионы. "Обобществленные"

электроны передвигаются в пространстве между катионами металлов и удерживают их вместе.

3.Водородная связь

– это связь не внутри молекулами, а между ними или между

частями молекул.

Водородная связь - возникает между сильно электроотрицательными атомами (обычно

водорода, кислорода или фтора, реже азота) и атомом водорода другой молекулы или части

молекулы:

─ О −Н ... О – Н

│

(чертой обозначена ковалентная связь, тремя точками - водородная связь).

Прочные водородные связи образуются в таких жидких веществах, как вода,

фтороводород, кислородсодержащие неорганические кислоты, карбоновые кислоты,

фенолы, спирты, аммиак, амины. При кристаллизации водородные связи в этих веществах

обычно сохраняются. Поэтому их кристаллические структуры имеют вид цепей (метанол),

плоских двухмерных слоев (борная кислота), пространственных трехмерных сеток (лед).

Если водородная связь объединяет части одной молекулы, то говорят о

внутримолекулярной водородной связи. Это особенно характерно для многих органических

соединений, например, для салициловой кислоты:

Если же водородная связь образуется между атомом водорода одной молекулы и атомом

неметалла другой молекулы (межмолекулярная водородная связь), то молекулы образуют

довольно прочные пары, цепочки, кольца.

Муравьиная кислота (и другие карбоновые кислоты) и в жидком и в газообразном

состоянии существуют в виде димеров:

Необходимые для образования водородных связей атомы кислорода и азота содержат все

углеводы, белки, нуклеиновые кислоты. Известно, например, что глюкоза, фруктоза и сахароза

прекрасно растворимы в воде. Не последнюю роль в этом играют водородные связи,

образующиеся в растворе между молекулами воды и многочисленными OH-группами

углеводов.

Наличие водородных связей приводят к аномальному повышению температур кипения у

веществ, в которых она присутствует.

Температуры кипения халькогеноводородов

H

2

Te H

2

Se H

2

S H

2

O

t

кип

,

o

С −2 −42 −60

100

Сильные водородные связи между молекулами воды препятствуют ее плавлению и испарению.

Валентность

– число связей, образованных данным атомом в данной молекуле.

Например, в молекуле SO

3

у серы 6 связей, т.е. сера в этой молекуле имеет валентность VI.

Валентные возможности атомов – весь набор возможных валентностей. Они

определяются числом неспаренных электронов и возможных донорно-акцепторных связей

(ДАС).

Высшая возможная валентность элементов (без учёта ДАС), как правило, равнa номеру

группы. Это правило не выполняется:

А) у элементов второго периода, начиная с азота (у них отсутствуют d- орбитали и нет

возможности для распаривания электронов)

Б) у элементов 8 группы (в главной подгруппе для гелия, неона и в побочной подгруппе для

элементов триад)

В) у элементов 1 группы побочной подгруппы (у них высшая валентность больше номера

группы).

Пример: у серы на третьем внешнем слое есть 6 электронов.

В невозбуждённом (основном) состоянии она имеет валентность II:

S…3s

2

3p

4

↑↓

↑↓ ↑

↑

При переходе одного электрона на d – оболочку она становится четырёхвалентной:

S*…3s

2

3p

3

3d

1

↑↓

↑

↑

↑

↑

Максимально возможная валентность – VI:

S** …3s

1

3p

3

3d

2

↑

↑

↑

↑

↑

Степень окисления

– гипотетический заряд у атома в молекуле, рассчитанный,

исходя из предположения об ионном характере всех связей и из того, что в целом молекула

электронейтральна.

Пример: +1 +6 -2

K

2

Cr

2

O

7

(+1) ∙2 + (+6) ∙2 + (-2) ∙7 = 0

Кристаллические решетки.

Строение вещества определяется не только взаимным расположением атомов в химических

частицах, но и расположением этих химических частиц в пространстве. Наиболее упорядочено

размещение атомов, молекул и ионов в кристаллах (от греческого "кристаллос" - лед), где

химические частицы (атомы, молекулы, ионы) расположены в определенном порядке, образуя в

пространстве кристаллическую решетку.

В зависимости от того, из каких частицы построена кристаллическая решетка и каков

характер химической связи между ними, выделяют различные

типы кристаллических

решеток:

●

Атомная

●

Молекулярная

●

Металлическая

●

Ионная

Ионные кристаллические решетки

образованы катионами и анионами (например, соли

и гидроксиды большинства металлов). В них между частицами имеется ионная связь.

Ионные кристаллы могут состоять из одноатомных ионов. Так построены кристаллы

хлорида натрия, иодида калия, фторида кальция.

В образовании ионных кристаллов многих солей участвуют одноатомные катионы металлов

и многоатомные анионы, например, нитрат-ион NO

3

−

, сульфат-ион SO

4

2−

, карбонат-ион CO

3

2−

.

Обычно ионные кристаллы твердые, но хрупкие. Их хрупкость обусловлена тем, что даже

при небольшой деформации кристалла катионы и анионы смещаются таким образом, что силы

отталкивания между одноименными ионами начинают преобладать над силами притяжения

между катионами и анионами, и кристалл разрушается.

Ионные кристаллы отличаются высокими температурами плавления. В расплавленном

состоянии вещества, образующие ионные кристаллы, электропроводны. При растворении в воде

эти вещества диссоциируют на катионы и анионы, и образующиеся растворы проводят

электрический ток.

Атомные кристаллические решетки

состоят из отдельных атомов, объединенных

ковалентными связями. Из простых веществ только бор и элементы IVA-группы имеют такие

кристаллические решетки. Нередко соединения неметаллов друг с другом (например, диоксид

кремния, карбид кремния) также образуют атомные кристаллы.

Атомные кристаллы очень прочные и твердые, плохо проводят теплоту и

электричество. Вещества, имеющие атомные кристаллические решетки, плавятся при

высоких температурах

.

Они практически нерастворимы в каких-либо растворителях. Для них

характерна низкая реакционная способность.

Кристалл графита

Молекулярные кристаллические решетки

построены из отдельных молекул, внутри

которых атомы соединены ковалентными связями. Между молекулами действуют более слабые

межмолекулярные силы. Они легко разрушаются, поэтому молекулярные кристаллы имеют

низкие температуры плавления, малую твердость

, высокую летучесть.

Вещества,

образующие молекулярные кристаллические решетки, не обладают электрической

проводимостью, их растворы и расплавы также не проводят электрический ток.

Большинство неметаллов в виде простых веществ (например, иод I

2

, аргон Ar, сера S

8

) и

соединений друг с другом (например, вода, диоксид углерода, хлороводород), а также

практически все твердые органические вещества образуют молекулярные кристаллы.

Молекула иода.

Для простых веществ- металлов характерна

металлическая кристаллическая

решетка

.

В ней имеется металлическая связь между атомами. В металлических кристаллах

ядра атомов расположены таким образом, чтобы их упаковка была как можно более плотной.

Связь в таких кристаллах является делокализованной и распространяется на весь кристалл.

Металлические кристаллы обладают высокой электрической проводимостью и

теплопроводностью, металлическим блеском и непрозрачностью, легкой

деформируемостью.

Классификация кристаллических решеток отвечает предельным случаям. Большинство

кристаллов неорганических веществ принадлежит к промежуточным типам - ковалентно-

ионным, молекулярно-ковалентным и т.д. Например, в кристалле графита внутри каждого слоя

связи ковалентно-металлические, а между слоями - межмолекулярные.