Страница 34 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Охарактеризуйте ионную и ковалентную химическую связь.

Ионная химическая связь

Ионная связь — это химическая связь, которая образуется за счёт электростатического притяжения между противоположно заряженными ионами (катионами и анионами). Этот тип связи возникает между атомами, которые резко отличаются по электроотрицательности (ЭО). Как правило, это связь между атомом типичного металла (например, из IА или IIА группы Периодической системы) и атомом типичного неметалла (например, из VIА или VIIА группы). Разность электроотрицательностей ($\Delta\chi$) для ионной связи обычно превышает 1.7 по шкале Полинга.

Механизм образования:

1. Атом с низкой электроотрицательностью (металл) полностью отдает один или несколько своих валентных электронов, превращаясь в положительно заряженный ион — катион.

2. Атом с высокой электроотрицательностью (неметалл) принимает эти электроны, достраивая свой внешний электронный слой до завершенного, и превращается в отрицательно заряженный ион — анион.

3. Возникшие разноименно заряженные ионы притягиваются друг к другу кулоновскими силами, образуя ионное соединение.

Пример: Образование хлорида натрия ($NaCl$).

Атом натрия ($Na$) имеет один электрон на внешнем уровне и низкую ЭО. Он легко отдает этот электрон, превращаясь в катион $Na^+$: $Na - 1e^- \rightarrow Na^+$.

Атом хлора ($Cl$) имеет семь электронов на внешнем уровне и высокую ЭО. Он легко принимает один электрон, превращаясь в анион $Cl^-$: $Cl + 1e^- \rightarrow Cl^-$.

Катион $Na^+$ и анион $Cl^-$ притягиваются друг к другу, образуя прочное соединение $NaCl$, в котором ионы формируют кристаллическую решетку.

Основные свойства ионных соединений:

• При обычных условиях являются твердыми кристаллическими веществами (образуют ионные кристаллические решетки).
• Имеют высокие температуры плавления и кипения из-за сильного электростатического притяжения между ионами.
• Твердые, но хрупкие. Механическое воздействие вызывает сдвиг слоев ионов, что приводит к отталкиванию одноименных зарядов и разрушению кристалла.
• Хорошо растворимы в полярных растворителях (например, в воде), но плохо растворимы в неполярных.
• В твердом состоянии не проводят электрический ток, так как ионы жестко зафиксированы в узлах решетки. Однако их расплавы и водные растворы являются хорошими электролитами (проводят ток).

Ответ: Ионная связь — это связь, основанная на электростатическом притяжении между катионами и анионами, которые образуются в результате полной передачи электронов от атома с низкой электроотрицательностью (металла) к атому с высокой электроотрицательностью (неметаллу).

Ковалентная химическая связь

Ковалентная связь — это химическая связь, которая образуется путем обобществления (совместного использования) одной или нескольких пар валентных электронов. Этот тип связи характерен для атомов с близкими значениями электроотрицательности, в первую очередь — для атомов неметаллов, связывающихся друг с другом.

В зависимости от распределения общей электронной пары между атомами, ковалентную связь делят на два основных типа:

1. Ковалентная неполярная связь:

Возникает между атомами одного и того же химического элемента (например, в молекулах $H_2$, $O_2$, $F_2$, $N_2$) или элементами с практически одинаковой электроотрицательностью ($\Delta\chi \approx 0$). В этом случае общая электронная пара (или пары) принадлежит обоим атомам в равной степени. Электронное облако распределено симметрично относительно ядер связываемых атомов, и разделения зарядов не происходит.

Пример: В молекуле фтора $F_2$ каждый атом фтора предоставляет по одному неспаренному электрону для образования общей электронной пары $F:F$.

2. Ковалентная полярная связь:

Образуется между атомами разных неметаллов (например, $HCl$, $H_2O$, $NH_3$). Поскольку атомы имеют разную электроотрицательность ($0 < \Delta\chi < 1.7$), общая электронная пара смещается к более электроотрицательному атому. В результате на этом атоме возникает частичный (избыточный) отрицательный заряд ($\delta^-$), а на менее электроотрицательном атоме — частичный положительный заряд ($\delta^+$). Такая связь является полярной, а молекула, содержащая такую связь, может быть диполем.

Пример: В молекуле хлороводорода ($HCl$) общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому хлора. Поэтому на атоме водорода возникает частичный положительный заряд ($H^{\delta+}$), а на атоме хлора — частичный отрицательный ($Cl^{\delta-}$).

Основные свойства ковалентных соединений:

• Могут существовать в газообразном, жидком или твердом состоянии при обычных условиях.
• Соединения с молекулярной кристаллической решеткой (большинство) имеют низкие температуры плавления и кипения, летучи. Соединения с атомной решеткой (например, алмаз, кремний) — очень твердые и тугоплавкие.
• Растворимость подчиняется правилу «подобное растворяется в подобном»: полярные вещества растворимы в полярных растворителях, а неполярные — в неполярных.
• В основном являются диэлектриками (не проводят электрический ток) в любом агрегатном состоянии. Исключение составляют вещества, способные к диссоциации в растворах (например, кислоты).

Ответ: Ковалентная связь — это связь, образующаяся путем обобществления электронных пар между атомами (как правило, неметаллов). Она бывает неполярной, если общая электронная пара распределена равномерно между одинаковыми атомами, и полярной, если электронная пара смещена к более электроотрицательному атому в связи между разными атомами.

2. Приведите примеры ионных и ковалентных соединений. Какие физические свойства характерны для ионных соединений? для ковалентных соединений? Чем это можно объяснить?

Примеры ионных и ковалентных соединений.

Химические соединения классифицируют по типу химической связи между атомами.

• Ионные соединения образуются, как правило, между атомами типичных металлов и типичных неметаллов. Связь возникает за счет электростатического притяжения между противоположно заряженными ионами (катионами и анионами), которые образуются в результате полной передачи электронов от атома металла к атому неметалла.
  Примеры:
  • Хлорид натрия (поваренная соль) $NaCl$
  • Фторид кальция $CaF_2$
  • Оксид магния $MgO$
  • Сульфид калия $K_2S$
  • Нитрат аммония $NH_4NO_3$ (связь между катионом $NH_4^+$ и анионом $NO_3^-$ ионная, а внутри ионов связи ковалентные полярные).
• Ковалентные соединения образуются между атомами неметаллов за счет образования общих электронных пар.
  • Ковалентные неполярные соединения образуются между атомами одного и того же неметалла.
    Примеры: водород $H_2$, кислород $O_2$, азот $N_2$, озон $O_3$. Также к ним условно относят соединения, где разница в электроотрицательности атомов очень мала, например, метан $CH_4$.
  • Ковалентные полярные соединения образуются между атомами разных неметаллов, обладающих разной электроотрицательностью.
    Примеры: вода $H_2O$, аммиак $NH_3$, хлороводород $HCl$, диоксид углерода $CO_2$.

Ответ: Примеры ионных соединений: $NaCl, CaF_2$. Примеры ковалентных соединений: $H_2O, CH_4, O_2$.

Какие физические свойства характерны для ионных соединений?

Для ионных соединений характерны следующие физические свойства:

• Агрегатное состояние: при обычных условиях это твердые кристаллические вещества.
• Температуры плавления и кипения: очень высокие. Например, температура плавления $NaCl$ составляет 801 °C.
• Твердость и хрупкость: они твердые, но при механическом воздействии не деформируются, а раскалываются (хрупкие).
• Растворимость: многие хорошо растворимы в полярных растворителях (например, в воде), но плохо растворимы в неполярных (например, в бензине).
• Электропроводность: в твердом состоянии не проводят электрический ток, так как ионы жестко зафиксированы в узлах кристаллической решетки. Однако их расплавы и водные растворы являются хорошими проводниками тока, так как ионы становятся подвижными.

Ответ: Ионные соединения — это твёрдые, тугоплавкие, хрупкие вещества, часто растворимые в воде; их расплавы и растворы проводят электрический ток.

... для ковалентных соединений?

Физические свойства ковалентных соединений сильно зависят от типа их кристаллической решетки: молекулярной или атомной.

• Соединения с молекулярной кристаллической решеткой (большинство ковалентных соединений, например, $H_2O, CO_2, I_2$, сахар $C_{12}H_{22}O_{11}$):
  • Агрегатное состояние: при обычных условиях могут быть газами, жидкостями или легкоплавкими твердыми веществами.
  • Температуры плавления и кипения: низкие.
  • Твердость: невысокая, часто летучи.
  • Растворимость: действует правило "подобное растворяется в подобном": полярные молекулы растворяются в полярных растворителях, неполярные — в неполярных.
  • Электропроводность: как правило, не проводят электрический ток ни в одном из агрегатных состояний (являются диэлектриками).
• Соединения с атомной кристаллической решеткой (например, алмаз (C), кварц ($SiO_2$), карборунд ($SiC$)):
  • Агрегатное состояние: твердые вещества.
  • Температуры плавления и кипения: очень высокие.
  • Твердость: очень высокая, они нелетучи и непластичны.
  • Растворимость: практически нерастворимы ни в каких растворителях.
  • Электропроводность: в основном не проводят ток (исключение — графит).

Ответ: Ковалентные соединения с молекулярной решёткой — это газы, жидкости или легкоплавкие твёрдые вещества, не проводящие ток. Ковалентные соединения с атомной решёткой — это очень твёрдые, тугоплавкие вещества, нерастворимые и не проводящие ток.

Чем это можно объяснить?

Различия в физических свойствах ионных и ковалентных соединений объясняются типом химической связи и строением их кристаллической решетки.

• У ионных соединений в узлах кристаллической решетки находятся положительно и отрицательно заряженные ионы. Между ними действуют мощные силы электростатического притяжения. Чтобы разрушить такую решетку (расплавить вещество), требуется затратить много энергии, что и обуславливает их высокие температуры плавления и твердость. Хрупкость объясняется тем, что при сдвиге слоев решетки одноименно заряженные ионы оказываются рядом, их взаимное отталкивание приводит к разрушению кристалла. Электропроводность расплавов и растворов обусловлена появлением подвижных ионов, которые могут переносить заряд.
• У ковалентных соединений с молекулярной решеткой в узлах решетки находятся целые молекулы. Внутри молекул атомы связаны прочными ковалентными связями, но сами молекулы в кристалле удерживаются друг около друга слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса). Для их преодоления требуется мало энергии, поэтому такие вещества имеют низкие температуры плавления, они летучи и не очень тверды. Молекулы электронейтральны, поэтому такие вещества не проводят ток.
• У ковалентных соединений с атомной решеткой вся кристаллическая решетка представляет собой одну гигантскую молекулу. Все соседние атомы в решетке связаны прочными ковалентными связями. Чтобы расплавить или испарить такое вещество, необходимо разорвать эти многочисленные прочные связи, что требует колоссальных затрат энергии. Это объясняет их чрезвычайно высокие температуры плавления и исключительную твердость. Отсутствие свободных носителей заряда (ионов или электронов) делает их диэлектриками.

Ответ: Физические свойства веществ определяются типом их кристаллической решетки и прочностью связей между частицами в ее узлах. Сильные ионные связи в ионных решетках и прочные ковалентные связи во всей атомной решетке обуславливают высокую твердость и тугоплавкость. Слабые межмолекулярные связи в молекулярных решетках обуславливают низкие температуры плавления и невысокую твердость. Электропроводность зависит от наличия подвижных заряженных частиц.

3. Определите вид химической связи в следующих веществах: $F_2$, $P_4$, $CO_2$, $CaO$, $H_2S$, $PCl_5$. Для ковалентных соединений составьте электронные формулы.

$F_2$

Химическая связь в молекуле фтора $F_2$ образована двумя одинаковыми атомами неметалла (фтора). Электроотрицательность атомов одинакова ($Δχ = 0$), поэтому общая электронная пара не смещается ни к одному из атомов. Такая связь называется ковалентной неполярной.

Атом фтора (F) находится в 17-й группе периодической таблицы и имеет 7 валентных электронов. Для завершения внешней электронной оболочки до октета каждому атому фтора не хватает одного электрона. Атомы образуют одну общую электронную пару, формируя одинарную связь.

Электронная формула:

$ \large :\stackrel{..}{\underset{..}{F}} - \stackrel{..}{\underset{..}{F}}: $

Ответ: ковалентная неполярная связь.

$P_4$

Химическая связь в молекуле белого фосфора $P_4$ образована четырьмя одинаковыми атомами неметалла (фосфора). Связь между одинаковыми атомами является ковалентной неполярной.

Атом фосфора (P) находится в 15-й группе и имеет 5 валентных электронов. В молекуле $P_4$ атомы фосфора расположены в вершинах тетраэдра. Каждый атом фосфора образует три одинарные связи с тремя другими атомами и имеет одну неподеленную электронную пару, завершая свой октет.

Электронная формула (описание): Молекула имеет форму тетраэдра, в каждой из четырех вершин которого находится атом фосфора. Каждый атом фосфора связан одинарными связями с тремя другими и имеет одну неподеленную электронную пару.

Ответ: ковалентная неполярная связь.

$CO_2$

Химическая связь в молекуле диоксида углерода $CO_2$ образована атомами разных неметаллов: углерода (C) и кислорода (O). Электроотрицательность кислорода ($χ_O = 3,44$) выше, чем у углерода ($χ_C = 2,55$). Общие электронные пары смещены в сторону более электроотрицательного атома кислорода. Такая связь является ковалентной полярной.

Атом углерода (С) имеет 4 валентных электрона, атом кислорода (O) — 6. Для достижения октета углерод образует две двойные связи с двумя атомами кислорода.

Электронная формула:

$ \large :\stackrel{..}{O}=C=\stackrel{..}{O}: $

Ответ: ковалентная полярная связь.

$CaO$

Химическая связь в оксиде кальция $CaO$ образована атомом типичного металла (кальций, Ca) и атомом активного неметалла (кислород, O). Разница в их электроотрицательностях очень велика ($χ_{Ca} = 1,00$; $χ_O = 3,44$; $Δχ = 2,44$). Атом кальция полностью отдает два своих валентных электрона атому кислорода, превращаясь в катион $Ca^{2+}$, а кислород, принимая электроны, становится анионом $O^{2-}$. Связь, возникающая за счет электростатического притяжения ионов, называется ионной.

Для ионных соединений электронные формулы, показывающие общие электронные пары, не составляют. Соединение состоит из ионов: $[Ca]^{2+}[:\stackrel{..}{\underset{..}{O}}:]^{2-}$

Ответ: ионная связь.

$H_2S$

Химическая связь в молекуле сероводорода $H_2S$ образована атомами разных неметаллов: водорода (H) и серы (S). Электроотрицательность серы ($χ_S = 2,58$) больше, чем у водорода ($χ_H = 2,20$). Общие электронные пары смещены к атому серы. Такая связь является ковалентной полярной.

Атом серы (S) имеет 6 валентных электронов, атом водорода (H) — 1. Атом серы образует две одинарные связи с двумя атомами водорода и имеет две неподеленные электронные пары для завершения октета.

Электронная формула:

$ \large H - \stackrel{..}{\underset{..}{S}} - H $

Ответ: ковалентная полярная связь.

$PCl_5$

Химическая связь в молекуле пентахлорида фосфора $PCl_5$ образована атомами разных неметаллов: фосфора (P) и хлора (Cl). Электроотрицательность хлора ($χ_{Cl} = 3,16$) выше, чем у фосфора ($χ_P = 2,19$). Общие электронные пары смещены к атомам хлора. Такая связь является ковалентной полярной.

Атом фосфора (P) имеет 5 валентных электронов, атом хлора (Cl) — 7. Атом фосфора образует пять одинарных связей с пятью атомами хлора. Это пример соединения с расширенным октетом у центрального атома, так как фосфор окружают 10 валентных электронов.

Электронная формула (описание): Молекула имеет форму тригональной бипирамиды. Центральный атом фосфора (P) образует пять одинарных ковалентных связей с пятью атомами хлора (Cl). У центрального атома фосфора нет неподеленных электронных пар. Каждый из пяти атомов хлора имеет по 3 неподеленные электронные пары, что дополняет его электронную оболочку до октета.

Ответ: ковалентная полярная связь.