Страница 80 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян

Металлическая и ковалентная связи представляют собой два основных типа химической связи, основанных на обобществлении электронов, но реализующих этот принцип по-разному. Сравнение этих связей выявляет как фундаментальные сходства, так и ключевые различия, определяющие свойства веществ.

Сходство между металлической и ковалентной связью заключается в их общей природе. В обоих случаях связь образуется за счет валентных электронов, которые становятся общими для нескольких атомов, что приводит к понижению общей энергии системы и образованию стабильной структуры. И та, и другая связь является результатом электростатического притяжения между положительно заряженными атомными остовами (ядрами или ионами) и отрицательно заряженными обобществленными электронами.

Однако на этом сходство заканчивается, и начинаются принципиальные различия. Главное из них — в степени обобществления электронов. При образовании ковалентной связи, характерной для неметаллов, пара электронов становится общей для двух конкретных атомов. Эти электроны локализованы в пространстве между ядрами, образуя направленную и насыщаемую связь. Направленность означает, что связь имеет определенную ориентацию в пространстве, что приводит к формированию молекул с конкретной геометрией (например, уголковая молекула H₂O). Насыщаемость означает, что атом может образовать лишь ограниченное число таких связей.

В отличие от этого, при образовании металлической связи валентные электроны, принадлежащие атомам металла, обобществляются не парой атомов, а всем коллективом атомов в кристаллической решетке. Они делокализованы и образуют так называемый «электронный газ» — подвижное облако отрицательного заряда, которое скрепляет положительно заряженные ионы металлов. Такая связь является ненаправленной (притяжение действует равномерно во все стороны) и ненасыщаемой (каждый ион взаимодействует со всеми окружающими его электронами и соседними ионами). Именно наличие свободных, делокализованных электронов объясняет характерные свойства металлов: высокую электро- и теплопроводность, пластичность, ковкость и металлический блеск.

Ответ:

Металлическая и ковалентная связи схожи тем, что обе образуются за счет обобществления валентных электронов и имеют электростатическую природу. Ключевое различие состоит в том, что в ковалентной связи электроны локализованы между двумя атомами, делая связь направленной и насыщаемой, тогда как в металлической связи электроны делокализованы по всему кристаллу, образуя ненаправленную и ненасыщаемую связь. Это фундаментальное различие в характере обобществления электронов определяет кардинально разные физические свойства веществ с этими типами связи.

Металлическая и ионная связи относятся к сильным химическим связям и имеют общую электростатическую природу, однако между ними существуют и фундаментальные различия.

Сходства металлической и ионной связи

Основное сходство металлической и ионной связей заключается в их электростатической природе. В обоих случаях связь образуется за счет сил притяжения между разноименно заряженными частицами.

• Электростатическое притяжение: И в металлах, и в ионных соединениях атомы удерживаются вместе силами кулоновского притяжения.
• Наличие ионов: В узлах кристаллических решеток как металлов, так и ионных соединений находятся положительно заряженные ионы (катионы).
• Образование кристаллических структур: Вещества с обоими типами связи в твердом состоянии образуют упорядоченные кристаллические решетки, что обуславливает их высокую температуру плавления.
• Ненаправленность связи: Обе связи являются ненаправленными, то есть сила притяжения действует равномерно во всех направлениях вокруг иона.

Различия металлической и ионной связи

Несмотря на сходства, различия между этими типами связи более существенны и определяют уникальные свойства металлов и ионных соединений.

• Природа отрицательного заряда: В металлической связи роль отрицательного заряда выполняет "электронный газ" — совокупность валентных электронов, которые обобществлены и свободно перемещаются по всему объему кристалла. В ионной связи отрицательный заряд несут анионы — конкретные атомы, принявшие электроны, которые жестко зафиксированы в узлах кристаллической решетки.
• Подвижность заряженных частиц: В металлах электроны чрезвычайно подвижны, что обуславливает их высокую электро- и теплопроводность в твердом и жидком состояниях. В ионных соединениях ионы в твердом состоянии неподвижны, поэтому они являются диэлектриками. Проводить ток они могут только в расплаве или растворе, когда ионы становятся подвижными.
• Механизм образования: Ионная связь образуется между атомами с большой разницей в электроотрицательности (типично металл и неметалл) за счет полного перехода электронов. Металлическая связь характерна для атомов одного или нескольких металлов, которые отдают свои валентные электроны в общее пользование.
• Механические свойства: Металлы пластичны (ковки и тягучи), так как при механическом воздействии слои катионов могут смещаться друг относительно друга без разрыва связи — "электронный газ" действует как смазка. Ионные кристаллы, напротив, хрупкие. Смещение слоев в них приводит к сближению одноименно заряженных ионов, возникновению сил отталкивания и разрушению кристалла.

Ответ:

Металлическая и ионная связи схожи своей электростатической природой (притяжение между положительными ионами и отрицательным зарядом) и образованием кристаллических решеток. Главное различие заключается в носителе отрицательного заряда и его подвижности: в металлах это свободные, обобществленные электроны ("электронный газ"), а в ионных соединениях — локализованные, неподвижные в твердой фазе анионы. Это фундаментальное различие определяет кардинально разные физические свойства веществ: металлы пластичны и являются проводниками в твердом состоянии, а ионные соединения хрупкие и являются диэлектриками в твердом состоянии.

Твёрдость металлов и сплавов — это их способность сопротивляться пластической деформации или разрушению при локальном контактном воздействии. Повышение твёрдоosti связано с созданием в кристаллической структуре материала препятствий для движения дислокаций — дефектов кристаллической решётки, которые отвечают за пластическую деформацию. Существует несколько основных способов повышения твёрдости:

• Легирование

  Этот метод заключается во введении в основной металл атомов других элементов (легирующих элементов). Эти атомы, замещая атомы основного металла в кристаллической решётке или внедряясь между ними, создают локальные искажения решётки. Эти искажения тормозят движение дислокаций, что приводит к увеличению твёрдости. Классическим примером является добавление углерода в железо для получения стали, которая значительно твёрже чистого железа.

• Термическая обработка

  Это изменение структуры и свойств материала путём контролируемых циклов нагрева и охлаждения. Основные виды упрочняющей термообработки:

  • Закалка: Быстрое охлаждение нагретого до высокой температуры металла (например, стали из аустенитного состояния). Это приводит к образованию неравновесных, пересыщенных твёрдых растворов с искажённой кристаллической решёткой (например, мартенсита в стали), которые обладают очень высокой твёрдостью.

  • Дисперсионное твердение (старение): Метод, применяемый для многих цветных сплавов (например, дюралюминия). Он включает закалку с последующей выдержкой при комнатной (естественное старение) или повышенной (искусственное старение) температуре. В процессе старения из пересыщенного твёрдого раствора выделяются мельчайшие частицы второй фазы, которые эффективно блокируют движение дислокаций.

  • Отпуск: Термообработка, проводимая после закалки для снижения хрупкости и внутренних напряжений при сохранении высокой твёрдости. В результате отпуска образуется более стабильная и вязкая структура.

• Пластическая деформация (наклеп)

  Это механическое упрочнение металла путём его деформации (прокаткой, волочением, ковкой) при температуре ниже температуры рекристаллизации (холодная деформация). В процессе деформации многократно увеличивается плотность дислокаций. Они начинают взаимодействовать, переплетаться и мешать движению друг друга, что приводит к значительному росту твёрдости и прочности.

• Химико-термическая обработка

  Этот метод изменяет химический состав и структуру поверхностного слоя детали для придания ему высокой твёрдости и износостойкости, сохраняя при этом вязкую сердцевину. Примеры:

  • Цементация: Насыщение поверхности низкоуглеродистой стали углеродом с последующей закалкой.

  • Азотирование: Насыщение поверхности легированных сталей азотом, который образует очень твёрдые нитриды.

  • Нитроцементация (цианирование): Одновременное насыщение поверхности углеродом и азотом.

• Измельчение зерна

  Металлы имеют поликристаллическую структуру, состоящую из множества зёрен (кристаллитов). Границы зёрен являются эффективными препятствиями для движения дислокаций. Уменьшая средний размер зерна, мы увеличиваем общую протяжённость границ, что приводит к повышению твёрдости и прочности (согласно соотношению Холла-Петча). Добиться мелкого зерна можно за счёт контроля скорости кристаллизации, применения специальных модификаторов или проведения термомеханической обработки (деформации с последующей рекристаллизацией).

Ответ: Твёрдость металлов и сплавов можно повысить следующими основными способами: легированием (созданием сплавов с более сложной кристаллической структурой), термической обработкой (закалкой, старением), пластической деформацией (наклепом), химико-термической обработкой для упрочнения поверхности (цементацией, азотированием) и измельчением размера зерна.

Решение

Для определения типа химической связи необходимо проанализировать, атомы каких элементов образуют вещество. Тип связи зависит от разницы в электроотрицательности связываемых атомов.

Ba: Барий — это простое вещество, образованное атомами одного и того же химического элемента-металла. В металлах и их сплавах валентные электроны слабо связаны со своими ядрами и могут свободно перемещаться по всему объему кристалла, образуя так называемый "электронный газ". Связь между положительными ионами металла в кристаллической решетке и обобществленными электронами называется металлической связью.

Ответ: металлическая связь.

BaBr₂: Бромид бария — это вещество, образованное атомами типичного металла (барий, Ba, элемент IIA группы) и типичного неметалла (бром, Br, элемент VIIA группы). Разница в их электроотрицательностях велика. Атом металла (Ba) отдает свои валентные электроны атому неметалла (Br), превращаясь в положительно заряженный ион (катион $Ba^{2+}$), а атом неметалла, принимая электроны, становится отрицательно заряженным ионом (анион $Br^{-}$). Связь, возникающая в результате электростатического притяжения между разноименно заряженными ионами, называется ионной.

Ответ: ионная связь.

HBr: Бромоводород — это вещество, образованное атомами двух разных неметаллов (водород H и бром Br). Связь между ними осуществляется путем образования общей электронной пары. Поскольку электроотрицательность брома (2.96) больше электроотрицательности водорода (2.20), общая электронная пара смещена к атому брома. В результате на атоме брома возникает частичный отрицательный заряд ($\delta-$), а на атоме водорода — частичный положительный заряд ($\delta+$). Такая связь называется ковалентной полярной.

Ответ: ковалентная полярная связь.

Br₂: Молекула брома образована двумя одинаковыми атомами неметалла. Связь между ними образуется за счет общей электронной пары. Так как атомы одинаковы, их электроотрицательности равны. Поэтому общая электронная пара располагается симметрично относительно ядер обоих атомов, и смещения электронной плотности не происходит. Такая связь называется ковалентной неполярной.

Ответ: ковалентная неполярная связь.

Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковое число протонов в ядре (и, следовательно, одинаковый заряд ядра и порядковый номер), но разное число нейтронов. Из-за разного числа нейтронов изотопы имеют разную относительную атомную массу. Химические свойства элемента определяются строением его электронной оболочки, которое, в свою очередь, зависит от заряда ядра (числа протонов). Поскольку у изотопов число протонов и электронов одинаково, их химические свойства очень близки. Однако различие в массе атомов (изотопный эффект) приводит к заметным различиям в физических свойствах образованных ими веществ, а также в скоростях химических реакций.

Пример 1: Изотопы водорода ($H$)

Водород имеет три основных изотопа, различие в массах которых наиболее существенно по сравнению с другими элементами: протий ($^1\text{H}$), ядро которого состоит из одного протона (относительная атомная масса ≈ 1); дейтерий ($^2\text{H}$ или $D$), ядро которого содержит один протон и один нейтрон (относительная атомная масса ≈ 2); и тритий ($^3\text{H}$ или $T$), ядро которого состоит из одного протона и двух нейтронов (относительная атомная масса ≈ 3, радиоактивен). Масса дейтерия вдвое, а трития — втрое больше массы протия.

Это различие в массе сильно влияет на свойства воды. Обычная вода, образованная протием, имеет формулу $H_2O$, а тяжелая вода, образованная дейтерием, — $D_2O$.

Их физические свойства различны:

1. Плотность: Тяжелая вода ($D_2O$) примерно на 11% плотнее обычной воды ($H_2O$). При $20^\circ\text{C}$ плотность $D_2O$ составляет $1,1056 \text{ г/см}^3$, а $H_2O$ — $0,9982 \text{ г/см}^3$.

2. Температуры фазовых переходов: Тяжелая вода замерзает при $+3,82^\circ\text{C}$ и кипит при $101,4^\circ\text{C}$ (при нормальном давлении), в то время как обычная вода — при $0^\circ\text{C}$ и $100^\circ\text{C}$ соответственно.

3. Биологическое действие: В высоких концентрациях тяжелая вода токсична для большинства живых организмов, так как из-за большей массы дейтерия химические реакции в клетках, связанные с разрывом связей с водородом, замедляются (кинетический изотопный эффект).

Пример 2: Изотопы урана ($U$)

Природный уран состоит в основном из двух изотопов: урана-238 ($^{238}_{92}\text{U}$, содержание > 99%) и урана-235 ($^{235}_{92}\text{U}$, содержание ~0.7%). Оба изотопа имеют по 92 протона, но разное количество нейтронов (146 и 143 соответственно).

Их химические свойства практически идентичны, но ядерные свойства кардинально различаются.

1. Ядерные свойства: Изотоп $^{235}\text{U}$ является делящимся материалом — он способен к цепной реакции деления под действием тепловых нейтронов. Это свойство используется в ядерных реакторах для выработки энергии и в ядерном оружии. Изотоп $^{238}\text{U}$ не способен к цепной реакции на тепловых нейтронах, но может захватывать нейтрон, превращаясь в плутоний-239 ($^{239}\text{Pu}$), который также является ядерным топливом.

2. Разделение изотопов: Небольшая разница в массе (около 1.3%) используется для их разделения (обогащения урана). В газообразном соединении гексафторида урана ($UF_6$) более легкие молекулы $^{235}UF_6$ движутся немного быстрее, чем тяжелые $^{238}UF_6$. Это позволяет разделять их методами газовой диффузии или центрифугирования.

Пример 3: Изотопы углерода ($C$)

Углерод имеет два стабильных изотопа, $^{12}\text{C}$ и $^{13}\text{C}$, и один радиоактивный, $^{14}\text{C}$.

1. Радиоуглеродный анализ: Различие в ядерных свойствах (стабильность) позволяет использовать $^{14}\text{C}$ для датировки органических останков. Живые организмы поглощают углерод из окружающей среды, и соотношение $^{14}\text{C}/^{12}\text{C}$ в них такое же, как в атмосфере. После смерти обмен прекращается, и $^{14}\text{C}$ начинает распадаться с периодом полураспада около 5730 лет. Измеряя оставшееся количество $^{14}\text{C}$, можно определить возраст образца. Здесь используется физическое свойство — радиоактивность, напрямую связанное со строением ядра.

2. Кинетический изотопный эффект: При фотосинтезе растения незначительно легче усваивают более легкий изотоп $^{12}\text{C}$ по сравнению с $^{13}\text{C}$. Это приводит к тому, что биомасса растений и животных, которые их едят, слегка "обеднена" тяжелым изотопом $^{13}\text{C}$ по сравнению с неорганическим углеродом в атмосфере. Это различие в скорости реакции, зависящее от массы, используется в геохимии и экологии.

Таким образом, относительная атомная масса, различная у изотопов, в первую очередь влияет на физические свойства веществ (плотность, температура кипения и плавления, скорость диффузии) и на их ядерные свойства (стабильность, способность к делению). Химические свойства остаются практически неизменными, однако разница в массе может сказываться на скорости химических реакций, что наиболее заметно для легких элементов.

Ответ: Различие в относительной атомной массе у изотопов одного элемента влияет прежде всего на физические свойства образованных ими веществ (например, плотность и температуры фазовых переходов тяжелой воды $D_2O$ выше, чем у обычной $H_2O$) и на их ядерные свойства (например, $^{235}\text{U}$ способен к цепной реакции деления, в отличие от $^{238}\text{U}$, а $^{14}\text{C}$ радиоактивен, в отличие от $^{12}\text{C}$). Это различие в массе также может приводить к разной скорости протекания химических реакций (кинетический изотопный эффект), что особенно выражено у изотопов легких элементов, таких как водород.

Деление химических связей на фундаментальные типы (ионная, ковалентная, металлическая) является в значительной степени условным. Эти типы представляют собой идеализированные модели, или "крайние" случаи, тогда как большинство реальных химических связей носят промежуточный характер. Относительность такого деления доказывается следующими аргументами.

Аргумент 1: Существование непрерывного перехода от ковалентной к ионной связи.

Крайними случаями взаимодействия двух атомов являются чисто ковалентная связь (когда общая электронная пара в равной степени принадлежит обоим атомам) и чисто ионная связь (когда электрон полностью переходит от одного атома к другому). Определяющим фактором здесь выступает разность электроотрицательностей (${\Delta}\chi$) атомов.

При ${\Delta}\chi = 0$ (например, в молекулах $H_2$, $Cl_2$) связь считается на 100% ковалентной неполярной. По мере увеличения ${\Delta}\chi$ электронная плотность смещается к более электроотрицательному атому, и связь приобретает полярность (становится ковалентной полярной), на атомах появляются частичные заряды ${\delta+}$ и ${\delta-}$. Чем больше ${\Delta}\chi$, тем выше полярность и тем больше "ионный характер" связи.

Не существует чёткого, общепринятого значения ${\Delta}\chi$, при котором связь перестаёт быть ковалентной и становится ионной. Обычно в качестве условной границы принимают ${\Delta}\chi \approx 1.7 - 2.0$. Однако это лишь соглашение. Например, связь в молекуле фтороводорода $HF$ (${\Delta}\chi \approx 1.9$) является высокополярной ковалентной, но её ионный характер составляет около 43%. С другой стороны, даже в "классических" ионных кристаллах, как $NaCl$, связь не является на 100% ионной из-за поляризации аниона ($Cl^−$) катионом ($Na^+$), что придает ей долю ковалентного характера. Таким образом, существует целый спектр связей, плавно переходящих от чисто ковалентных к преимущественно ионным.

Аргумент 2: Промежуточный характер связи между ковалентной и металлической.

Металлическую связь можно представить как предельный случай делокализации ковалентной связи, когда валентные электроны обобществлены не между двумя атомами, а между всеми атомами кристаллической решётки. Существование веществ с промежуточными свойствами доказывает относительность этого деления.

Например, кремний ($Si$) и германий ($Ge$) — это полупроводники. В их кристаллах атомы соединены ковалентными связями, как в алмазе. Однако эти связи слабее, и электроны могут перемещаться по кристаллу, что придает им некоторую электропроводность — свойство, характерное для металлов.

Другой пример — графит, аллотропная модификация углерода. Внутри слоев атомы углерода связаны прочными ковалентными связями, но часть электронов делокализована в пределах всего слоя, образуя единую электронную систему. Это обуславливает электропроводность графита, сближая его по свойствам с металлами.

Аргумент 3: Донорно-акцепторный механизм как мост между типами связи.

Образование ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму также стирает чёткие границы. Рассмотрим образование иона аммония $NH_4^+$. Молекула аммиака $NH_3$ выступает донором, предоставляя свою неподелённую электронную пару, а ион водорода $H^+$ (протон) — акцептором, предоставляя вакантную орбиталь. С одной стороны, в результате образуется ковалентная связь. С другой стороны, этот процесс можно описать как электростатическое притяжение иона $H^+$ к полярной молекуле $NH_3$ с последующим образованием иона $NH_4^+$, что сближает его с ионными взаимодействиями. После образования все четыре связи $N–H$ в ионе аммония становятся абсолютно одинаковыми и неотличимыми от обычных ковалентных полярных связей.

Ответ: Деление химической связи на типы является относительным, так как чистые типы связи (ионная, ковалентная, металлическая) — это идеализированные модели. В реальности существует непрерывный переход между ними. Основные аргументы: 1) Плавный переход от ковалентной к ионной связи с ростом разности электроотрицательностей атомов, без чёткой границы. 2) Существование веществ с промежуточными свойствами между металлами и неметаллами (например, полупроводники, графит), где связь сочетает черты ковалентной и металлической. 3) Донорно-акцепторный механизм, который показывает, как ковалентная связь может возникать в результате процесса, имеющего черты ионного взаимодействия.